УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к гидролокации и предназначено для управления диаграммой направленности дискретных приемных антенных решеток.

Известны устройства управления диаграммой направленности, использующие фазовращатели (или линии задержки), формирующие основной лепесток (луч) диаграммы направленности в определенном направлении за счет компенсации фазовых сдвигов (временных задержек) между выходными сигналами элементов антенны, возникающих при прохождении фронта волны, пришедшей с этого направления, вдоль антенны. Однако при реализации фазовращателей или линии задержки на элементах аналоговой техники такие устройства сложны, громоздки и имеют невысокую точность.

Лучшими характеристиками отличаются цифровые устройства управления диаграммой направленности. В них используется задержка выборок из сигналов элементов антенной решетки.

Цифровые устройства позволяют точно формировать луч диаграммы направленности только в тех направлениях, которым соответствуют временные задержки сигналов, кратные периоду взятия выборок.

Известно, что при приеме полосовых сигналов частота выборок, достаточная для получения полной информации о сигнале, может определяться лишь шириной его спектра и быть меньше несущей частоты. Для ряда систем (особенно размещенных на кораблях-носителях), размеры приемных антенн которых ограничены несколькими длинами волн несущего колебания, может оказаться, что время распространения фронта волны вдоль антенны одного порядка или меньше возможного периода выборки. В этих случаях для обеспечения формирования диаграммы направленности и управления необходимо либо повышать частоту взятия выборок, либо применять цифровую интерполяцию, что значительно усложняет аппаратуру.

Из известных устройств, позволяющих управлять диаграммой направленности с сохранением низкой частоты выборок, наиболее близко устройство диаграммоформирования.

Оно содержит дискретную антенну, блок выборки-хранения, содержащий устройства выборки-хранения с общими цепями управления, число которых равно числу элементов в антенне, аналоговый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, двувходовый сумматор, тактовый генератор, синхрогенератор, кабельную линию, устройство задержки, синтезирующий фильтр, устройство синхронизации и цепь связи. При этом входы блока выборки хранения соединены с выходами элементов антенны, а выходы подключены к входам коммутатора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя. Его выход соединен с первым входом сумматора. Выход тактового генератора подключен к управляющим входам блока выборки-хранения и аналогового коммутатора, входам запуска аналого-цифрового преобразователя и синхрогенератора, выход которого соединен с вторым входом сумматора. Выход сумматора подключен к кабельной линии, к другому концу которой подключены устройство задержки выборок и устройство синхронизации.

Устройство задержки выборок через цепь связи соединено с синтезирующим фильтром.

Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость. Она обусловлена возникающим при коммутации выходов устройств выборки-хранения шумом переключения, который передается вместе с сигналом и уменьшает отношение сигнал-шум. Другим недостатком известного устройства является зависимость скорости изменения информации на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) от числа элементов приемной антенны. Это обстоятельство требует применения АЦП с повышенным быстродействием, так как частота смены информации на его входе больше частоты взятия выборок.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал-шум (отнесенного к входу аналого-цифрового преобразователя).

Это достигается тем, что в устройство управления диаграммой направленности, содержащее последовательно соединенные приемную антенну, состоящую из n элементов, блок выборки-хранения, содержащий устройства выборки-хранения, число которых равно числу элементов в антенне, сумматор, АЦП и тактовый генератор, введен распределитель импульсов, i-й выход которого, где i=1,n, соединен с входом управления i-го устройства выборки-хранения, первый вход подключен к выходу тактового генератора, выход сумматора соединен с входом АЦП, вход запуска которого соединен с (n+1)-м выходом распределителя импульсов, а выход готовности с вторым входом распределителя импульсов, информационный выход АЦП является выходом устройства, при этом сумматор выполнен многовходовым и его i-й вход соединен с выходом i-го устройства выборки-хранения.

На фиг. 1 приведена структурная схема управления диаграммой направленности; на фиг.2 изображены, соответственно, временные диаграммы сигналов на выходе тактового генератора (U₁), на входах управления устройств выборки-хранения (U₂₁ + U_2n), входе запуска АЦП (U₃) и выходе готовности данных АЦП (сигнал а конца преобразования) -U₄.

Устройство для управления диаграммой напpавленности содержит линейную эквидистантную приемную антенну 1, состоящую из элементов 2 (датчиков), блок выборки-хранения 3, содержащий набор устройств выборки-хранения (УВХ) 4 по числу элементов антенны, многовходовый аналоговый сумматор 5, АЦП 6, тактовый генератор 7 и распределитель импульсов 8.

Устройство для управления диаграммой направленности работает следующим образом.

Элементы антенны 2 преобразуют поступающие на линейную эквидистантную антенну акустические сигналы в электрические. Тактовый генератор 7 формирует последовательно тактовые импульсы, частота следования которых равна требуемой частоте взятия выборок. Последняя определяется только шириной спектра принимаемого сигнала и меньше его несущей частоты. Каждым тактовым импульсом запускается распределитель импульсов 8. На его выходах управления выборкой формируются сигналы возбуждения, последовательно во времени переводящие устройство выборки-хранения (УВХ) в режим хранения (см. фиг.2,б).

Введение временного интервала между моментами возбуждения УВХ позволяет компенсировать временную задержку выходных сигналов элементов антенны, обусловленную их пространственной разнесенностью. Первым возбуждается одно из УВХ, подключенных к концевым элементам антенны 1. Выбор того или другого из них определяется тем, в каком направлении от нормали к антенне необходимо наклонить луч диаграммы направленности (ДН).

Временной интервал между подачей сигналов возбуждения на УВХ, входы которых подключены к соседним элементам антенны 1, равен временному сдвигу моментов прихода на эти элементы фронта волны с направления, в котором формируется луч ДН. Если формируется перпендикулярный к антенне луч, то сигналы возбуждения появляются на всех выходах управления выборкой распределителя импульсов одновременно. При этом все УВХ блока 3 одновременно переводятся в режим хранения.

Когда все УВХ блока 3 переведены в режим хранения, на (n+1)-м выходе распределителя импульсов формируется сигнал запуска АЦП 6. АЦП начинает преобразовывать в цифровой код выходное напряжение многовходового сумматора 5, величина которого после возбуждения всех УВХ 4 является аналоговой выборкой из сигнала, пришедшего на антенну с заданного направления. По окончании цикла аналого-цифрового преобразования, когда в выходном регистре АЦП формируется цифровой код выборки, на выходе готовности данных АЦП появляется сигнал готовности (конца преобразования). Этот сигнал, появляясь на входе управления распределителя импульсов, вызывает его сброс в исходное (т.е. до момента подачи тактового импульса) состояние. При этом на выходах управления выборкой распределителя импульсов формируются сигналы, переводящие все УВХ блока 3 в режим выборки. На этом заканчивается один такт работы устройства управления ДН.

Изменение ориентации основного лепестка (луча) ДН в пространстве осуществляется изменением временного интервала между вырабатываемыми распределителем импульсов сигналами возбуждения УВХ. Интервал времени между подачей сигналов возбуждения на УВХ, подключенные к соседним элементам антенны, и очередность их возбуждения, необходимые для формирования определенного луча, задаются управляющим кодом, подаваемым на информационные входы распределителя импульсов. Этот код считывается в каждом такте работы устройства при появлении сигнала готовности АЦП.

При программном управлении ДН управляющий код может вырабатываться специализированным процессором, осуществляющим обработку принимаемых антенной сигналов. При этом характер изменения кода (и качания ДН) определяется программой и задачами обработки. Если необходимость программного управления ДН отсутствует, временной сдвиг и очередность появления сигналов возбуждения, могут быть заданы настройкой распределителя импульсов до начала включения устройства управления ДН в работу.

Таким образом, в устройстве обеспечивается формирование выборок из комплексной огибающей сигнала, пришедшего на дискретную линейную антенну с определенного задаваемого направления.

Благодаря использованию распределителя импульсов, осуществляющего разнесение во времени моментов взятия выборок из выходных сигналов элементов антенны многовходового сумматора, подключенного к выходам УВХ и соответствующей синхронизации АЦП, появилась возможность исключить последовательную во времени коммутацию выходов УВХ, тем самым удалось избежать образования шума переключения и повысить помехоустойчивость.

Так как в каждом такте работы устройства АЦП преобразуем сигнал, складывающийся из значений выходных сигналов всех элементов антенны, частота смены информации на входе АЦП стабилизирована на низком уровне и равна частоте взятия выборок. Это позволяет при том же быстродействии элементов, на которых построено АЦП, что и в прототипе, увеличить его разрядность. Тем самым можно увеличить динамический диапазон преобразуемых сигналов или ослабить влияние шумов квантования АЦП.

Устройство управления диаграммой направленности может найти применение в гидроакустических станциях. Относительная простота устройства позволяет разместить его в непосредственной близости от антенной системы (например, в составе забортной аппаратуры), исключить тем самым влияние помех в канале связи, забортной аппаратуры с бортовой на точность формирования диаграмм направленности. При этом низкая скорость изменения информации на выходе устройства позволяет принимать сигналы от него и передавать управляющие сигналы в последовательной форме по одной линии связи (кабелю), работающей в полудуплексном режиме.

Изобретение относится к гидролокации и предназначено для управления диаграммой направленности дискретных приемных антенных решеток. Целью изобретения является увеличение отношения сигнал-шум (отнесенного к входу аналого-цифрового преобразователя). Для этого в устройство для управления диаграммой направленности введен распределитель импульсов. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ, содержащее последовательно соединенные приемную антенну, состоящую из n элементов, и блок выборки-хранения, состоящий из n устройств выборки-хранения, сумматор, аналого-цифровой преобразователь и тактовый генератор, отличающееся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал-шум, отнесенного к входу аналого-цифрового преобразователя, в него введен распределитель импульсов, i-й выход которого (i 1,2. n) соединен с входом управления i-го устройства выборки-хранения, первый вход подключен к выходу тактового генератора, i-й вход сумматора соединен с выходом i-го устройства выборки-хранения, а выход сумматора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, вход запуска которого соединен с (n+1)-м выходом распределителя импульсов, а выход готовности с вторым входом распределителя импульсов, при этом информационный выход аналого-цифрового преобразователя совмещен с выходом устройства.