ФАЗОВОЕ МНОГОШКАЛЬНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК G01R25/00 

Изобретение касается определения нескольких параметров по результатам неоднозначных измерений электрических величин, в частности полных фаз или разностей фаз сигналов, линейно связанных с параметрами.

Устройство может быть использовано для определения углов направления на источник электромагнитного излучения в пространство в составе многобазовых фазовых пеленгаторов с линейной, плоской или объемной антенной решеткой (АР), для определения дальности фазовым методом с использованием многочастотного сигнала, в радионавигации для определения угловой ориентации объектов в составе фазовых интерферометров.

Известно многошкальное устройство в составе фазового многобазового пеленгатора для измерения двух параметров углов направления на искусственный спутник земли [1] Устройство состоит из двух отдельных многошкальных устройств, каждое из которых определяет лишь один параметр по результатам измерений разностей фаз сигналов между антеннами, расположенными соответственно на двух взаимно перпендикулярных прямых линиях плоскости, образующими крест Миллса [2] Каждое отдельное многошкальное устройство содержит блок преобразования разностей фаз в код и вычислитель, который реализует последовательный способ устранения неоднозначности.

Устройство имеет невысокие достоверность (вероятность правильного устранения неоднозначности) и точность определения углов, свойственных последовательному способу устранения неоднозначности. Другим недостатком устройства является необходимость размещения элементов АР на двух взаимно перпендикулярных линиях плоскости, образующих два ряда, что исключает размещение элементов на всей части плоскости, отведенной под АР.

Известно также устройство разрешения многозначности (устранения неоднозначности) фазовых измерений [3] содержащее последовательно подключенные к выходам фазовых датчиков блок весовых сумматоров и блок вычисления целых циклов фаз.

Это устройство обеспечивает высокую достоверность измерений.

Недостатками устройства являются возможность измерения только одного параметра и ограничение в выборе масштабных коэффициентов шкал, при котором они должны соотноситься между собой как целые взаимно простые числа. Другим недостатком устройства является невозможность использования априорной информации о параметрах.

Изобретение направлено на увеличение помехоустойчивости измерений одновременно нескольких параметров при снятии отмеченных ограничений на выбор масштабных коэффициентов шкал и возможности использования априорной информации о параметрах.

Это достигается тем, что в многошкальное фазовое измерительное устройство, содержащее n фазовых датчиков, где n число неоднозначно регистрируемых фаз, и n весовых сумматоров, дополнительно введены m других фазовых датчиков, где m число однозначно регистрируемых фаз, и m других весовых сумматоров, каждый из весовых сумматоров имеет n+m входов, которые соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков, а входы с (n+1)-го по (n+m)-й из них подключены к выходам других фазовых датчиков соответственно, каждый из других весовых сумматоров имеет 2n+m входов, которые соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков, входы с (n+1)-го по 2n-ый из них подключены к выходам весовых сумматоров, а входы с (2n+1)-го и по (2n+m)-й из них подключены к выходам m других фазовых датчиков соответственно, выходы других весовых сумматоров являются выходами устройства по m переменным параметрам.

Известен оптимальный алгоритм устранения неоднозначности и оценки векторного параметра в многошкальной системе, содержащей однозначно регистриpуемые фазы. Этот алгоритм записывается с помощью следующих выражений:
θ^*=(H^тB^-1H)^-1H^тB^-1μ^*, μ^*=((Φ+k^*)^т, γ^т)^т, (1)

где θ=(θ₁, θ₂, ..., θ_m)^т вектор параметров;
μ составной вектор полных фаз;
* обозначает оценку величины;
v=(Φ₁, Φ₂, ..., Φ_n) вектор неоднозначно регистрируемых фаз;
Φ_i фаза, являющаяся дробной частью i-й полной фазы, выраженной в единицах 2π, 0<Φ_i≅ 1;;
k= (k₁, k₂, k_n) вектор целых частей полных фаз (целых циклов фаз), называемый в дальнейшем вектором неоднозначности (ВН);
γ=(γ₁, γ₂, ..., γ_m) вектор однозначно регистрируемых фаз;
H=(HтΦ

, Hтγ)^т составная матрица масштабных коэффициентов шкал размером (n+m) на m, определяющая структуру измерительной системы;
H_Φ, H_γ матрицы линейных связей между параметрами и регистрируемыми величинами, описываемых равенствами v+k=H_Φθ и g=H_γθ для истинных значений векторов (при отсутствии ошибок регистрацией);
B корреляционная матрица ошибок;
D=B^-1 B^-1H(H^TB^-1H)^-1 H^TB^-1.

С целью упрощения квадратичной формы в (2) выразим векторы в координатах относительно нового базиса, используя блочную матрицу перехода к этому базису вида

где I единичная матрица размеров n на n;
O нулевая матрица размеров m на n.

Запишем вектор μ относительно нового базиса в виде и сделаем подстановку в (2) известного соотношения . В результате получим более простой алгоритм устранения неоднозначности (АУН)

где D_nn матрица размером n на n, полученная из матрицы D отбрасыванием m последних строк и столбцов. Из него же следует другое равенство

Матрица D_nn невырожденная, а квадратичная форма в (3) положительно определенная.

Заменим, аналогично [5] внедиагональные элементы матрицы D_nn нулями, тогда получим квазиоптимальный АУН

где [. обозначает покоординатную операцию выделения ближайшего целого.

Следовательно, процесс восстановления ВН и определения оценки векторного параметра в соответствии с установленным алгоритмом состоит из следующих этапов. Проводят регистрацию и получают векторы фаз Φ и γ. Вычисляют вектор по формуле (4). Находят координаты оценки ВН k^* (5) путем выделения из соответствующих координат вектора ближайших целых значений и изменения знака полученных результатов. Последний этап заключается в сложении векторов v и k^* и вычислении оценки векторного параметра θ^* по формуле (1).

Установим в подробной записи выполняемые операции в математической модели предлагаемого изобретения.

Обозначим матрицу

Тогда координаты вектора (4) в поэлементной записи определяются равенствами

Операции выделения ближайших целых значений (5) можно заменить простыми операциями выделения целых частей.

Обозначим через Ц(х) операцию выделения целой части величины х, которая заключается в отбрасывании дробной части величины х при сохранении знака у оставшейся целой части. Нетрудно убедиться в справедливости соотношения [x] Ц(x+0,5) при x≥0,5.

Чтобы перейти от операций выделения ближайших целых значений величин к операциям отбрасывания дробных частей, нужно сместить значения этих переменных в область (-0,5; ∞). Для этого добавим к величине постоянное целое неотрицательное число l_i, выводящее ее в указанную область.

Целые части смещенных значений

выражаются следующим образом через необходимые операции .

Таким образом, покоординатная операция выделения ближайшего целого (5) в координатной форме выполняется в соответствии с равенствами .

Обозначим

Последнее действие заключается в нахождении оценки векторного параметра (1), которая в координатной форме с учетом обозначения (8) запишется в виде

Формулы (4) и (9) описывают вычислительные операции в математической модели устройства. Заметим, что если матрицу H_γ взять единичной, то вектор g можно назвать вектором априорной информации о параметрах.

Предлагаемое фазовое многошкальное измерительное устройство измеряет несколько параметров, не требует соотношений между масштабными коэффициентами шкал в виде целых взаимно простых чисел, что позволяет, например, в составе фазового многобазового пеленгатора применять кольцевые или сферические АР, имеет высокую достоверность и точность определения параметров, содержит минимальное число функциональных блоков. Кроме того, устройство может эффективно использовать априорную информацию о параметрах, представляемую в этом случае в виде однозначно регистрируемых фаз.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - антенная решетка фазового четырехбазового пеленгатора, в котором используется в качестве примера предлагаемое устройство.

Устройство состоит из n фазовых датчиков 1, m других фазовых датчиков 2, n весовых сумматоров 3, каждый из которых имеет n+m входов, и m других весовых сумматоров 4, каждый из которых имеет 2n+m входов, входы весовых сумматоров 3 соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков 1, а входы с (n+1)-го по (n+m)-й из них подключены к выходам другим фазовых датчиков 2 соответственно, входы других весовых сумматоров 4 соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков 1, входы с (n+1)-го по 2n-й из них подключены к выходам весовых сумматоров 3, а входы с (2n+1)-го по (2n+m)-й из них подключены к выходам m других фазовых датчиков 2 соответственно, выходы других весовых сумматоров 4 являются выходами устройства по m переменным параметрам.

Устройство работает следующим образом.

Фазовые датчики 1 (фиг. 1) регистрируют дробные части (Φ₁, ..., Φ_n)=Φ^т полных фаз (μ₁, ..., μ_n)=Φ^т+k^т электрических периодических сигналов (в результате происходит потеря целых циклов фаз (k₁, k_n), составляющих вектор неоднозначности k), линейно связанных с параметрами (θ₁, ..., θ_m)=θ^т.. Другие фазовые датчики 2 регистрируют фазы (γ₁, ..., γ_m)=γ^т электрических периодических сигналов (или вырабатывают априорную информацию о параметрах), также линейно связанные с параметрами. Значения зарегистрированных фаз представлены на выходах фазовых датчиков электрическими сигналами, с помощью которых осуществляется передача значений величин между всеми другими блоками устройства.

На входы каждого i-го из весовых сумматоров 3 поступают зарегистрированные фазы Φ₁, ..., Φ_n с выходов фазовых датчиков 1 и зарегистрированные фазы γ₁, ..., γ_m с выходом других фазовых датчиков 2, а на их выходах формируются сигналы неотрицательной величины

С выходов весовых сумматоров 3 эти величины поступают на входы каждого из других весовых сумматоров 4, в которых используются только их целые части
компоненты восстанавливаемого ВН. Кроме того, на вход каждого i-го из других весовых сумматоров 4 поступают фазы Φ₁, ..., Φ_n и γ₁, ..., γ_m с выходов фазовых датчиков 1 и 2, а на их выходах формируются суммы (9), значения которых являются оценками определяемых параметров .

Устройство легко реализуется при цифровой обработке сигналов на элементах цифровой логики. Например, весовые сумматоры могут быть выполнены на микросхемах типа К561ИП2, К555ИП8, К561ИП5. Могут быть также применены универсальные ПЗУ на больших интегральных схемах.

Рассмотрим пример использования предлагаемого устройства в составе фазового многобазового пеленгатора с плоской АР. Определяемыми параметрами в этом случае являются два направляющих косинуса θ₁=cosα и θ₂=cosβ волнового вектора падающей на АР электромагнитной волны, распространяющейся от пеленгуемого источника излучения.

Элементы АР расположены на окружности (фиг. 2) в вершинах правильного пятиугольника. Длина сторон пятиугольника, выраженная в единицах длины волны наведенного сигнала, равна единице. Измеряются четыре разности фаз между сигналами в каналах (после соответствующего усиления и фильтрации) с антенными элементами A₀A₁, A₀A₂, A₀A₃ и A₀A₄. Измерения первых двух разностей фаз являются неоднозначными и в описании предлагаемого изобретения обозначаются соответственно через , оставшиеся два измерения разностей фаз однозначные и обозначаются через . Однозначность измерений достигается выбором рабочего углового пространственного конуса пеленгования, соответствующего круговой области изменения параметров θ21

+θ22≅ (0,4)² (отклонение образующей углового пространственного конуса пеленгования от оси 23 градуса), при максимальной значимой ошибке измерений разностей фаз 0,1 (36 фазовых градусов). Расстояния между указанными элементами называются базами, а векторы, соединяющие их, можно назвать векторами баз. В этом случае мы имеем четырехбазовый пеленгатор.

Проекции векторов баз соответственно на оси Ox и Oy образуют компоненты (с округлением до трех знаков после запятой) двух векторов столбцов матрицы масштабных коэффициентов шкал

Матрица

Первые весовые сумматоры формируют суммы (7)

где учтены значения l₁=l₂=2.

Предполагается, что дисперсии ошибок измерений разностей фаз σ² одинаковы, а корреляция между ними обусловлена общими антенными элементами. При этом корреляционная матрица ошибок измерений B=(b_ij), где b_ij=σ² при i=j и b_ij=0,5σ² при i≠j..

Матрица

Вторые весовые сумматоры формируют следующие суммы, равные оценкам параметров

Устройство работает эффективно. Например, при стандартном отклонении ошибок измерений разностей фаз σ=0,04 (14,4 фазовых градусов) достоверность в определении параметров практически равна единице, а среднеквадратичные отклонения оценок параметров равны 0,021 (1,2 пространственных градусов). При s=0,1 эти показатели соответственно равны 0,98 и 0,052.

Устройство, основанное на принципах прототипа, при размещении элементов АР на окружности получить невозможно, так как в этом случае не существует соотношений между масштабными коэффициентами шкал в виде небольших целых чисел, даже при их округлении с большой погрешностью.

Изобретение касается определения нескольких параметров по результатам неоднозначных измерений электрических величин, в частности полных фаз или разностей сигналов, линейно связанных с параметрами, может быть использовано для определения углов направления на источник электромагнитного излучения в пространстве в составе многобазовых пеленгаторов с линейной, плоской или объемной антенной решеткой, для определения дальности фазовым методом с использованием многочастотного сигнала, в радионавигации для определения угловой ориентации объектов в составе фазовых интерферометров. Фазовое многошкальное измерительное устройство содержит n фазовых датчиков, m других фазовых датчиков, n весовых сумматоров, каждый из которых имеет n+m входов, и других весовых сумматоров, каждый из которых имеет 2n+m входов, входы весовых сумматоров соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков, а входы с (n+1)-го по (n+m)-й из них подключены к выходам других фазовых датчиков соответственно, входы других весовых сумматоров соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков, входы с (n+1)-го по 2n-й из них подключены к выходам весовых сумматоров, а входы c (2n+1)-го по (2n+m)-й из них подключены к выходам m других фазовых датчиков соответственно, выходы других весовых сумматоров являются выходами устройства по m переменным параметрам. 2 ил.

Фазовое многошкальное измерительное устройство, содержащее n фазовых датчиков, где n число неоднозначно регистрируемых фаз, n весовых сумматоров, отличающееся тем, что дополнительно введены m других фазовых датчиков, где m
число однозначно регистрируемых фаз, каждый из весовых сумматоров имеет n+m входов, которые соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков, а входы с (n+1)-го по (n+m)-й из них подключены к выходам других фазовых датчиков соответственно, каждый из других весовых сумматоров имеет 2n+m входов, которые соответственно объединены и входы с 1-го по n-й из них подключены к выходам фазовых датчиков, входы с (n+1)-го по 2n-й из них подключены к выходам весовых сумматоров, а входы с (2n+1)-го по (2n+m)-й из них подключены к выходам m других фазовых датчиков соответственно, выходы других весовых сумматоров являются выходами устройства по m переменным параметрам.