УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНОВОГО ФРОНТА МЕТОДОМ ФАЗОВОГО МГНОВЕННОГО СРАВНЕНИЯ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для решения ряда прикладных задач в области радиолокации, медицины, радиовидения, энергетики, в промышленных системах народного хозяйства, использующих параметры волнового фронта наклон и кривизну, для определения местоположения и обеспечения фокусировки СВЧ энергии в заданной области.

Известно устройство измерения параметров волнового фронта, использующее фазовый метод пеленгования и определяющее наклон волнового фронта /1/.

Данное устройство реализует метод фазового мгновенного сравнения (ФМС) сигналов /2, с. 573-576/, но, однако, не позволяет исключить влияния амплитуды и фазы сигнала на стабильность равносигнального направления и тем самым обеспечить наибольшую точность определения направления /1, с. 302/.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство измерения параметров волнового фронта, содержащее две приемных антенны с взаимнорасстроенными фазовыми центрами, сумматор, разностное устройство, генератор промежуточной частоты, два смесителя, фазовращатель, фазовый детектор /2, с. 578/.

Данное устройство позволяет определить с большой точностью наклон волнового фронта (направление на источник излучения) при работе источника в дальней зоне. В этом случае величина кривизны волнового фронта будет ничтожно мала и не будет влиять на точность определения наклона. Однако если источник излучения находится в ближней зоне, то значения набега фазы сигнала, вызванные кривизной волнового фронта, будут соизмеримы со значениями набега фазы, вызванными наклоном, что приводит к ошибкам, делающим устройство неработоспособным.

Отсюда вытекает задача расширения функциональных возможностей устройства за счет измерения кривизны волнового фронта.

Это достигается тем, что в устройство измерения параметров волнового фронта, содержащее две приемные антенны с взаиморасстроенными фазовыми центрами, выходы которых соединены с первым и вторым входами первого сумматора соответственно и с первым и вторым входами первого разностного блока соответственно, выход первого сумматора подключен к первому входу первого смесителя, второй вход которого через фазовращатель на 90^o подключен к первому выходу генератора промежуточной частоты, второй выход которого подключен ко второму входу второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом первого разностного блока, выходы первого и второго смесителей соединены соответственно с первым и вторым входами первого фазового детектора, выход которого является первым выходом устройства, на котором формируется сигнал рассогласования по наклону волнового фронта, введены последовательно соединенные центральная приемная антенна, второй разностный блок, второй вход которого соединен с выходом первой приемной антенны, четвертый разностный блок, второй вход которого соединен с выходом третьего разностного блока, третий смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора промежуточной частоты, и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом четвертого смесителя, а выход является вторым выходом устройства, на котором формируется сигнал рассогласования по кривизне волнового фронта, первый и второй выходы третьего разностного блока подключены соответственно к выходу центральной приемной антенны и второй приемной антенны, выход центральной приемной антенны также подключен к первым входам второго и третьего сумматоров, вторые входы которых соединены соответственно с выходом первой приемной антенны и выходом второй приемной антенны, выходы второго и третьего сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого сумматора, выход которого соединен с выходом фазовращателя на 90^o, при этом первая и вторая приемная антенны расположены на одинаковом расстоянии от центральной приемной антенны, а оси диаграмм направленности первой, второй и центральной приемных антенн параллельны и лежат в одной плоскости.

Указанная совокупность дополнительных устройств, вносящих существенные признаки, позволяет реализовать измерение параметров волнового фронта источника радиоизлучения, работающего не только в дальней, но и в ближней зоне. За счет введения третьей антенны, двойной суммарной и двойной разностной обработки принимаемого сигнала становится возможным определение набега фазы, обусловленного кривизной волнового фронта. Следовательно, становится возможным безошибочное измерение наклона волнового фронта при работе источника радиоизлучения как в ближней, так и в дальней зоне. Кроме того, измерение кривизны волнового фронта позволяет определить дальность до источника радиоизлучения, что совместно с измерением наклона волнового фронта позволяет решить задачу определения местоположения и фокусировки СВЧ энергии в заданную область.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства измерения параметров волнового фронта.

Устройство измерения параметров волнового фронта содержит первую приемную антенну 1, вторую приемную антенну 2, центральную приемную антенну 3, генератор промежуточной частоты 4, фазовращатель 5, первое разностное устройство 6, первый сумматор 7, первый смеситель 8, второй смеситель 9, первый фазовый детектор 10, второе разностное устройство 11, третье разностное устройство 12, второй сумматор 13, третий сумматор 14, четвертое разностное устройство 15, четвертый сумматор 16, третий смеситель 17, четвертый смеситель 18, второй фазовый детектор 19.

При этом первые входы разностных устройств 11 и 12 и первые входы сумматоров 13 и 14 объединены и подключены к выходу центральной приемной антенны 3, первые входы разностного устройства 6 и сумматора 7, вторые входы разностного устройства 11 и сумматора 13 объединены и подключены к выходу первой приемной антенны 1, вторые входы разностных устройств 6 и 12, сумматоров 7 и 14 объединены и подключены к выходу второй приемной антенны 2, выход разностного устройства 6 подключен к первому входу смесителя 9. Выход сумматора 7 подключен к первому входу смесителя 8. Выходы сумматоров 13 и 14 подключены соответственно к первому и второму входам сумматора 16, выход которого подключен к первому входу смесителя 18. Выходы разностных устройств 11 и 12 подключены соответственно к первому и второму входам разностного устройства 15, выход которого подключен к первому входу смесителя 17. Вторые входы смесителей 9 и 17 объединены и подключены к выходу генератора промежуточной частоты 4. Вторые входы смесителей 8 и 18 объединены и через фазовращатель 90 5 подключены к генератору промежуточной частоты 4. Выходы смесителей 8 и 9 подключены ко входам фазового детектора 10. Выходы смесителей 17 и 18 подключены ко входам фазового детектора 19.

Первая приемная антенна 1, вторая приемная антенна 2, центральная приемная антенна 3 производит прием сигнала источника радиоизлучения или отраженного сигнала. При этом первая и вторая приемная антенны расположены на одинаковом расстоянии от центральной приемной антенны, а оси диаграмм направленности первой, второй и центральной приемных антенн параллельны и лежат в одной плоскости.

Сумматор 13 и разностное устройство 11 формируют соответственно суммарный и разностный сигналы центральной приемной антенны 3 и первой приемной антенны 1. Практически они могут быть реализованы на двойном волноводном тройнике или волноводно-щелевом мосте /3/.

Сумматоры 14 и разностное устройство 12 формируют соответственно суммарный и разностный сигналы центральной приемной антенны 3 и второй приемной антенны 2. Практически они могут быть реализованы на двойном волноводном тройнике или волноводно-щелевом мосте /3/.

Сумматор 16 предназначен для формирования двойного суммарного сигнала и представляет собой двойной волноводный тройник, у которого используется только плечо H, а плечо E не используется.

Разностное устройство 15 предназначено для формирования двойного разностного сигнала и представляет собой двойной волноводный тройник, у которого используется только плечо E, а плечо H не используется.

Сумматор 7 и разностное устройство 6 формируют соответственно суммарный и разностный сигналы второй приемной антенны 2 и первого приемной антенны 1. Практически они могут быть реализованы на двойном волноводном тройнике или волноводно-щелевом мосте /3/.

Генератор промежуточной частоты 4 предназначен для формирования опорного сигнала на промежуточной частоте. Практически он может быть реализован по схеме кварцевого автогенератора /4/.

Фазовращатель 5 предназначен для сдвига фазы опорного сигнала на 90^o согласно методу ФМС /2/. Практически он может быть реализован по схеме дифференцирования или фазового фильтра /5/.

Смесители 8 и 9 предназначены для переноса соответственно суммарного и разностного сигналов на промежуточную частоту. Практически они могут быть реализованы по схеме смесителей волноводного типа /6/.

Фазовый детектор 10 предназначен для формирования сигнала рассогласования (сигнала ошибки) по наклону волнового фронта. Он может быть реализован по схеме фазового дискриминатора /4, с. 363-372/.

Смеситель 17 предназначен для переноса на промежуточную частоту двойного разностного сигнала. Его структура полностью аналогична блоку 9.

Смеситель 18 предназначен для переноса на промежуточную частоту двойного суммарного сигнала. Его структура полностью аналогична блоку 8.

Фазовый детектор 19 предназначен для формирования сигнала рассогласования (сигнала ошибки) по кривизне волнового фронта. Его устройство полностью аналогично блоку 10.

При синтезе структуры устройства измерения параметров волнового фронта принималось во внимание, что набег фазы принятого сигнала обусловлен фазовой составляющей из-за наклона волнового фронта и фазовой составляющей из-за кривизны волнового фронта /7, с. 165/

Принятый сигнал можно представить в виде:
S=F_kv₁exp[-i(kΔΦ₁+k²ΔΦ₂)]
где F_k амплитуда принятого сигнала,
V₁ пространственный аналог импульсной характеристики фильтра.

Примем в качестве функционала, по максимуму которого минимизируются ошибки измерения, квадрат модуля сигнала Тогда сигнал ошибки (U_co), формируемый дискриминатором кривизны волнового фронта, согласно методу ФМС определяется следующим выражением:

Заметим, что разделение сигнала ошибки на реальную и мнимую составляющие является традиционным. Причем первая ведет к методу амплитудного мгновенного сравнения, а вторая к методу ФМС.

Из выражения (1) следует, что на перемножитель (фазовый детектор 19) необходимо подать два сигнала: один пропорциональный S^*, а второй S'. Производную от сигнала представим в виде:

где V₂ пространственный аналог импульсной характеристики канала формирования сигнала S'.

V₂=-ik²V₁
Отсюда можно получить, что частотная характеристика канала формирования сигнала S' определяется второй производной по пространственной частоте от частотной характеристики канала S^*. Заменяя производную двойной конечной разностью, рассовмещение по пространственной частоте линейным рассовмещением фазовых центров получим:
U_co=Im[S^*S']Im[S₊S_-]
где

Эти выражения соответствуют структуре устройства с тремя приемными каналами с взаимнорасстроенными фазовыми центрами, двойной суммарно-разностной обработкой и перемножением.

Рассмотрим принцип работы схемы, для чего определим сигнал на выходе фазового детектора 19 (т.е. дискриминационную характеристику дискриминатора кривизны волнового фронта).

Измерение набега фазы, обусловленного кривизной ВФ, осуществляется с помощью трех приемных антенн, фазовые центры которых рассовмещены на расстояние Δl что соответствует рассогласованию по фазе в каналах на Исходя из этого сигнал, принятый первой антенной (на выходе блока 1), можно записать в виде:

где ΔΦ₁ набег фазы, вызванный наклоном ВФ,
ΔΦ₂ набег фазы, вызванный кривизной ВФ.

Сигналы, принятые второй антенной (на выходе блока 2) и центральной антенной (на выходе блока 3) соответственно:

Тогда на выходе второго разностного устройства (блок 11) имеем разность сигналов первого и третьего каналов S₁-S₃, а на выходе третьего разностного устройства (блок 12) в силу симметрии схемы разность сигналов третьего и второго каналов S₃-S₂. На выходе четвертого разностного устройства (блок 15) получаем разность сигналов с выходов блоков 11 и 12:

Исходя из этих же соображений, на выходе четвертого сумматора получаем суммарный сигнал:

Суммарный и разностный сигналы поступают на второй фазовый детектор (блок 19) для перемножения. Причем отметим, что суммарный сигнал при переносе на промежуточную частоту сдвигается по фазе на относительно разностного (из-за того, что сигнал промежуточной частоты поступает на четвертый смеситель (блок 18) через фазовращатель), что приводит к выделению на выходе второго фазового детектора мнимой части произведения S₊ на S_-. Физически это означает, что при отсутствии рассогласования по кривизне ВФ фазы суммарного и разностного сигнала оказываются одинаковыми, но из-за сдвига суммарного сигнала на π/2 сигналы становятся ортогональными и их скалярное произведение равно нулю. При появлении рассогласования по кривизне ВФ фазы суммарного и разностного сигналов становятся неодинаковыми, что приводит к формированию на выходе второго фазового детектора сигнала ошибки (сигнала рассогласования), величина и знак которого однозначно характеризуют величину и знак рассогласования между измеренным параметром волнового фронта и опорным.

Аналитически сигнал на выходе второго ФД описывается следующим выражением:
U_co = Im [S_-S*+

]
Для упрощения окончательного выражения (не меняя сущности формирования сигнала ошибки на выходе второго ФД) можно считать для центрального канала k= 0, для канала расстроенного на -δΦk=-k, для канала, расстроенного на +δΦ k= +k. Тогда с точностью до амплитудного сомножителя сигнал ошибки можно представить в следующем виде:

где Δ₁=ΔΦ₁-Δθ₁ рассогласование по наклону волнового фронта,
Δ₂=ΔΦ₂-Δθ₂ рассогласование по кривизне волнового фронта
σ2c мощность принятого сигнала.

r_c коэффициент междуканальной корреляции сигнала.

При этом учитывалось, что

где Δθ₁ измеренное значение набега фазы, вызванного наклоном волнового фронта;
Δθ₂ измеренное значение набега фазы, вызванного кривизной волнового фронта.

Из выражения (2) видно, что сигнал на выходе фазового детектора 19 оказывается зависящим не только от рассогласования по наклону, но и от рассогласования по кривизне волнового фронта, что позволяет определить наклон и кривизну волнового фронта источника радиоизлучения.

Заметим, что для измерителя наклона ВФ сигнал на выходе ФД 1 будет равен:

Зависимость сигнала ошибки от рассогласования есть дискриминационная характеристика измерителя по измеряемому параметру (в различной литературе ее еще называют дискриминаторной характеристикой).

При нулевом рассогласовании Δ₂=0 сигнал на выходе второго фазового детектора также равен нулю. Рассогласование по кривизне ВФ определяется:
Δ₂=ΔΦ_2оп-ΔΦ_изм
где ΔΦ_2оп есть значение фазы, соответствующее опорному значению кривизны ВФ. Заметим, что для измерителя наклона ВФ опорное значение ΔΦ_1оп=0 и соответствует равносигнальному направлению [1] Для измерителя по кривизне ВФ значение опорной кривизны волнового фронта (опорной дальности) может быть выбрано исходя из следующих соображений:
1) ΔΦ_2оп=0 т.е. опорной считается нулевая кривизна ВФ, когда источник излучения находится на границе ближней зоны. В этом случае значение Δ₂ при любом положении источника в ближней зоне будет отрицательным (Δ₂= -ΔΦ_изм), а его абсолютное значение соответствовать расстоянию до источника;
2). ΔΦ_2оп≠0 В этом случае в качестве опорного значения выбирается какое-либо конкретное значение кривизны ВФ (определенная дальность, которая считается опорной). Значение ΔΦ_2оп учитывается в первом и втором каналах в качестве фазового сдвига. (Это можно осуществить, используя в приемных каналах устройства фазовой задержки проходного типа на основе ферритовых стержней). Величина фазовой задержки в таких устройствах определяется степенью подмагничивания феррита электромагнитным импульсом. Чем длиннее импульс, тем большая фазовая задержка осуществляется в канале. Перемещение источника вызовет появление соответственно отрицательного или положительного рассогласования Δ₂ величина которого будет соответствовать величине перемещения, т. е. изменению кривизны ВФ.

Использование: для измерения параметров волнового фронта методом фазового сравнения сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит три приемных канала с взаиморасстроенными фазовыми центрами. Приведена блок-схема устройства. 1 ил.

Устройство измерения параметров волнового фронта методом фазового мгновенного сравнения сигналов, содержащее две приемные антенны с взаиморасстроенными фазовыми центрами, выходы которых соединены с первым и вторым входами первого сумматора, соответственно, и с первым и вторым входами первого разностного блока, соответственно, выход первого сумматора подключен к первому входу первого смесителя, второй вход которого через фазовращатель на 90^o подключен к первому выходу генератора промежуточной частоты, второй выход которого подключен к второму входу второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом первого разностного блока, выходы первого и второго смесителей соединены соответственно с первым и вторым входами первого фазового детектора, выход которого является первым выходом устройства, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные центральная приемная антенна, второй разностный блок, второй вход которого соединен с выходом первой приемной антенны, четвертый разностный блок, второй вход которого соединен с выходом третьего разностного блока, третий смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора промежуточной частоты, и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом четвертого смесителя, а выход является вторым выходом устройства, первый и второй входы третьего разностного блока подключены соответственно к выходу центральной приемной антенны и второй приемной антенны, выход центральной приемной антенны также подключен к первым входам второго и третьего сумматоров, вторые входы которых соединены соответственно с выходом первой приемной антенны и выходом второй приемной антенны, выходы второго и третьего сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого сумматора, выход которого соединен с первым входом четвертого смесителя, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90^o, при этом первая и вторая приемная антенны расположены на одинаковом расстоянии от центральной приемной антенны, а оси диаграмм направленности первой, второй и центральной приемных антенн параллельны и лежат в одной плоскости.