СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВЫДЕЛЕНИЯ КВАДРАТУРНЫХ КОМПОНЕНТ ОТРАЖЕННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОМ ДВИЖЕНИИ ИЛИ ВИБРАЦИИ ЦЕЛИ
METHOD AND DEVICE OF SELECTION OF QUADRATURE COMPONENTS OF REFLECTED ELECTROMAGNETIC WAVE IN TO-AND-FRO MOTION OR TARGET VIBRATION

Изобретение относится к области радиолокационных и лазерных измерений и касается вопросов определения параметров отражения и сигнатур для самолетов, судов и наземных транспортных средств.
Исследования доплеровского изменения частоты радиолокационных сигналов, отраженных сложной целью, показывают, что спектры таких сигналов содержат доплеровские спектральные составляющие от вращающихся (колеблющихся) частей цели, лопаток реактивных турбин или винтов самолета. Данное явление подробно исследовано [Слюсарь Н.М. Эффект вторичной модуляции радиолокационных сигналов». Минск: ВА РБ, 2005]. Оно получило название «турбинной» («пропеллерной») модуляции и широко используется для распознавания целей [Небабин в.г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М., Радио и связь, 1984].
Лазерная виброметрия возникла в последние два десятилетия как современный, качественно новый уровень измерения параметров механических колебаний объектов. Уникальные физические особенности лазерных методов определяют многие их достоинства. Это возможность дистанционного бесконтактного измерения вибрации и отсутствие влияния на резонансные свойства объектов, в том числе микроскопических размеров; возможность измерений без предварительной подготовки поверхности объекта и оперативное измерение вибраций в различных точках объекта в опасной для персонала зоне (химически агрессивной, с высокой температурой, радиацией и т.д.). В настоящее время использование лазерных виброметров позволяет строить «вибрационный портрет» (сигнатуру) исследуемого объекта [патент США N7193720, G01B 9/02, 20.03.2007].
Недостатком известного технического решения является сложность и техническая насыщенность реализуемой аппаратуры.
Возвратно-поступательное движении цели для доплеровской селекции отраженного объектом сигнала на фоне мешающих отражений от местных предметов используют радиолокационные измерительные стенды [Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М., Советское радио, 1972].
Недостатком известного технического решения является громоздкость реализуемой аппаратуры.
Для когерентных измерений, позволяющих определять положение фазового центра отражения цели, использовалась подобная радиолокационная установка, где возвратно-поступательное движение вместе с целью совершал и калибровочный отражатель, мощность генератора делилась пополам и цель с калибровочными отражателем облучались синхронно (одновременно) в двух раздельных камерах через разные антенны [изобретение СССР, №327417, G01R 25100, 28.01.72].
Недостатком известного технического решения является громоздкость и высокая стоимость реализуемой аппаратуры.
Для упрощения когерентных измерений (устранения вышеописанных калибровочного отражателя и второго комплекта оборудования) используются установки с высокостабильным генератором, меньшая часть сигнала с которого ответвляется в приемник, делится пополам и одна половина сдвигается по фазе на 90° (опорные сигналы - синфазный и квадратурный). Принятый от цели сигнал также делится пополам и смешивается в квадратурном детекторе с опорными сигналами. В результате на выходе получаются синфазный и квадратурный видеосигналы, несущие информацию как об амплитуде принятого сигнала, так и о положении фазового центра цели [Финкельштейн М.Н. Основы радиолокации. М., Радио и связь, 1983].
Недостатком известного технического решения является деление принятого сигнала пополам в реализуемой аппаратуре, что приводит к снижению чувствительности.
Использование гомодинного приема (когда в качестве гетеродина служит основной генератор излучения, часть мощности которого ответвляется в приемник) позволяет эффективно распознавать свои самолеты, используя комбинированную технологию разделения синфазной и квадратурной компонент для радиоответчиков с модулированным обратным отражением [патент США N5784686, Н03С 1/52, 21.07.1998]. При этом модуляция может быть как электронная, так и механическая (возвратно-поступательное движение специального отражателя, вращение винтов или турбин).
Недостатком известного технического решения является деление принятого сигнала пополам в реализуемой аппаратуре, что приводит к снижению чувствительности.
Наиболее близким и принятым за прототип к предлагаемому изобретению является процессор обработки данных и устройство сжатия данных для разделения квадратурных компонент для радара с синтезированной апертурой [патент США N3680103, G01S 7/30, 25.07.1972].
LO
0
LO
Принятый когерентный сигнал после высокочастотной части приемника делится пополам и подается на перемножители вместе с опорными сигналами высокостабильного гетеродина частотой f - синфазным COS и квадратурным SIN. После этого видеосигналы выделяются в полосовых фильтрах (настроенных на разностную частоту f-f) - в COS-канале и SIN-канале. Затем в сумматорах осуществляется уплотнение полученных данных и выполняется их обработка в корреляторе. Полученные результаты отображаются на дисплее и записываются в запоминающее устройство.
Недостатками известного технического решения является наличие дополнительного высокостабильного гетеродина, усложняющего реализуемую аппаратуру, а также деление принятого сигнала пополам, что приводит к снижению чувствительности.
В случае вибрации или возвратно-поступательного движения исследуемого объекта появляется возможность существенно упростить схему построения COS- и SIN-каналов для получения квадратурных компонент отраженного радиолокационного или лазерного сигналов.
Задачей заявляемого технического решения является упрощение способа выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели, а также повышение его чувствительности и снижение стоимости его реализации.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели осуществляется гомодинный прием отраженного целью сигнала и имеются следующие отличия: разделение квадратурных компонент полученного низкочастотного сигнала осуществляется узкополосными низкочастотными фильтрами, настроенными на соседние спектральные составляющие отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией.
Заявляемый способ реализуется при помощи заявляемого устройства для выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели, включающего антенну, подключенную к приемопередатчику, и два полосовых фильтра с подключенными к их выходам регистрирующими устройствами, имеющего следующие отличия: сигнал с выхода приемопередатчика поступает на перемножитель и на него же в качестве опорного сигнала подается часть ответвленной с передатчика энергии, а с выхода перемножителя разностный сигнал подается на настроенные на соседние гармоники отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией узкополосные низкочастотные фильтры.
А также в заявляемом устройстве вместо полосовых фильтров к выходу перемножителя подключено сразу устройство регистрации, а полосовая фильтрация соседних гармоник отраженного целью сигнала выполняется цифровыми методами.
Заявляемое техническое решение основано на выделении полосовыми фильтрами низкочастотных компонент сигнала, сдвинутых на 90 градусов. Спектр электромагнитного сигнала, рассеянного вибрирующим объектом или объектом, совершающим возвратно-поступательного движение, представляет собой совокупность гармоник частоты вибрации (на Фиг. 1 период возвратно-поступательного движения равен 1-й секунде). Число линий в спектре определяется соотношением амплитуды движения и длины волны электромагнитного излучения колебаний (на Фиг. 1 амплитуда вибрации равна длине волны). При этом начальные фазы соседних гармоник отличаются на 90 градусов [Кобак В.О. К вопросу о спектре колебания с гармонической фазовой модуляцией. Электросвязь, 1969, №7]. Для увеличения соотношения сигнал/шум выделяются максимальные соседние гармоники; как следует из Фиг. 1, при равенстве амплитуды вибрации и длины волны, это 10-я и 11-я гармоники. Для их разделения по частоте достаточно применения полосовых фильтров с шириной полосы не более 5%.
В устройство для выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели (Фиг. 2) входит антенна, подключенная к приемопередатчику, и два полосовых фильтра с подключенными к их выходам регистрирующими устройствами. Сигнал с выхода приемопередатчика поступает на перемножитель и на него же в качестве опорного сигнала подается часть ответвленной с передатчика энергии, а с выхода перемножителя разностный сигнал подается на настроенные на соседние гармоники отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией узкополосные низкочастотные фильтры.
На фиг. 2 и фиг. 3 указаны следующие элементы схем:
1 - радио(оптико)локационный приемопередатчик;
2А - COS-канал;
2В - SIN-канал;
3 - перемножитель;
4а - полосовой фильтр нижней гармоники;
4b - полосовой фильтр верхней гармоники;
5, 5а, 5b - АЦП;
6 - модуль сжатия данных (контроллер);
7 - компьютер.
Предлагаемый способ реализуется с помощью предлагаемого устройства следующим образом.
0
Заявляемое  изобретение устройство имеет радио(оптико)локационный приемопередатчик 1 (фиг. 2), сигнал с которого поступает на единственный перемножитель 3, на который в качестве опорного сигнала подается часть ответвленной несущей с приемопередатчика 1 (гомодинный прием) частотой f. Разностный сигнал с перемножителя 3 подается на узкополосные низкочастотные полосовые фильтры нижней и верхней гармоник 4а и 4b соответственно (для случая, приведенного на фиг. 1, центральные частоты равны 10 Гц и 11 Гц соответственно, а полоса 5%). К выходам полосовых фильтров 4а и 4b подключены цифровые средства регистрации АЦП 5а и 5b, формирующие вместе с фильтрами COS-канал 2А и SIN-канал 2В соответственно. Сигналы из этих каналов (2А и 2В) обрабатываются модулем сжатия данных (контроллером) 6 для передачи в компьютер 7. При низкочастотных вибрациях или возвратно-поступательном движении полосовые фильтры 4а и 4b настраиваются на частоты не более 20 кГц, а в качестве АЦП 5а и 5b и модуля сжатия данных 6 может быть использована звуковая карта персонального компьютера 7.
Разделение соседних гармоник отраженного целью сигнала по частоте может быть выполнено и в цифровой форме, как показано на фиг. 3. В этом случае сигнал с перемножителя 3 сразу поступает на цифровое средство регистрации 5 (АЦП) и через модуль сжатия данных 6 передается в компьютер 7 с последующей цифровой фильтрацией (4а и 4b) сдвинутых на 90 градусов соседних гармоник. В результате квадратурные компоненты сигнала выделяются прямо в компьютере 7 и могут быть, при необходимости, выведены из него в цифровом виде (COS-канал 2А и SIN-канал 2В).
Таким образом, указанный технический результат достигается за счет того, что при гомодинном приеме отраженного вибрирующей целью сигнала разделение квадратурных компонент полученной низкочастотной компоненты осуществляется узкополосными низкочастотными фильтрами, настроенными на соседние гармоники отклика с гармонической фазовой модуляцией, которые сдвинуты одна относительно другой на 90 градусов.