ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ КОРРЕЛЯТОР Российский патент 1999 года по МПК H04B1/06 H04B1/10 

Изобретение относится к области пространственно-временной обработки сигналов в радиотехнических устройствах и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС).

Известен пространственно-временной коррелятора [1, рис. 1.2], который для одной координаты содержит n управляемых линий задержки (ЛЗ), (n+1) преобразователей частоты, где n - количество приемных каналов, сумматор и интегратор, вход которого соединен с выходом (n+1)-го преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом опорного сигнала пространственно-временного коррелятора, а второй - с выходом сумматора, i-й вход которого соединен с выходом i-го преобразователя частоты, первый вход которого соединен с i-м входом весовой функции ω_i(t) пространственно-временного коррелятора, а второй вход - с выходом i-й управляемой ЛЗ, вход которой соединен с i-м входом пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора.

Основным недостатком такого коррелятора является то, что при широкоугольном сканировании управляемые ЛЗ в каждом канале невозможно использовать из-за недопустимого удорожания антенны и конструктивных неудобств, связанных с большой общей длиной переключаемых кабелей. Например, при сканировании в секторе углов θ = 60^o максимальная длина переключаемых кабелей лишь незначительно отличается от размера раскрыва антенны [2, с. 68].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению относится пространственно-временной коррелятор [3, рис. 1.2], который для одной координаты содержит n регулируемых усилителей с коэффициентом передачи f_i(ϕ), где ϕ - угол, характеризующий направлении прихода фронта волны полезного сигнала в угломестной или азимутальной плоскости, n смесителей, где n - количество приемных каналов, сумматор, блок фазовращателей, преобразователь частоты и интегратор, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого соединен с первым входом i-го смесителя соответственно, второй вход которого соединен соответствующего i-го регулируемого усилителя, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, второй вход преобразователя частоты соединен с выходом сумматора, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го смесителя, причем блок фазовращателей содержит n фазовращателей для настройки на заданное направление приема, входы которых объединены и соединены с входом блока, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя.

Недостатком данного пространственно-временного коррелятора является то, что при обработке широкополосного сигнала не выполняются условия факторизации его пространственно-временной структуры [4, с. 25-26] и происходит улучшение отношения сигнал-шум на его выходе.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал-шум на выходе пространственно-временного коррелятора при обработке широкополосных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в пространственно-временной коррелятора, содержащий n регулируемых усилителей с коэффициентом передачи f_i(ϕ), где ϕ - угол, характеризующий направление прихода фронта волны полезного сигнала в угломестной или азимутальной плоскости, n смесителей, где n - количество приемных каналов, блок фазовращателей, преобразователь частоты и интегратор, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого соединен с первым входом i-го смесителя соответственно, второй вход которого соединен с выходом соответствующего i-го регулируемого усилителя, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, причем блок фазовращателей содержит n фазовращателей для настройки на заданное напряжение приема, входы которых объединены и соединены с входом блока, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя, введены n дисперсионных фазовращателей и блок сумматоров, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты, i-я группа входов блока сумматоров по m входов в каждой группу, где m - количество интервалов спектра, на которые разбивается широкополосный сигнал, соединена с соответствующими выходами соответствующих i-х дисперсионных фазовращателей, входы которых соединены с выходами соответствующих i-х смесителей, причем каждый блок дисперсионных фазовращателей содержит m фазовращателей и m фильтров, входы которых объединены и соединены с входом блока, j-й выход которого соединен с выходом соответствующего j-го фазовращателя, вход которого соединен с выходом соответствующего j-го фильтра, причем блок сумматоров содержит n m -входовых сумматоров и один n - входовой сумматор, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го m - входового сумматора, m входов каждого из которых соединены с соответствующими входами блока всех n - групп входов, выход которого соединен с выходом n-входового сумматора.

Введение в пространственно-временной коррелятор n дисперсионных фазовращателей и блока сумматоров позволяет повысить на его выходе отношение сигнал-шум при обработке широкополосного сигнала. В других технических решениях отсутствуют подобные существенные признаки в их общей совокупности, приводящие к достижению обеспечиваемого технического результата.

На фиг. 1 представлена схема пространственно-временного коррелятора, на фиг. 2 - схема блока фазовращателей, на фиг. 3 - схема блока дисперсионных фазовращателей, на фиг. 4 - схема блока сумматоров.

Пространственно-временной коррелятор фиг. 1 содержит n смесителей 1, n дисперсионных фазовращателей 2, n регулируемых усилителей 3, блок 4 фазовращателей, блок 5 сумматоров, преобразователь 6 частоты и интегратор 7, вход которого соединен с выходом преобразователя 6 частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого соединен с первым входом i-го смесителя 1_i соответственно, второй вход которого соединен с выходом соответствующего i-го регулируемого усилителя 3_i, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока 4 фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, выход блока 5 сумматоров соединен с вторым входом преобразователя 6 частоты, i-я группа входов блока 5 сумматоров по m входов в каждой группе соединена с соответствующими выходами соответствующих i-х дисперсионных фазовращателей 2_i, входы которых соединены с выходами соответствующих i-х смесителей 1_i.

Блок 1 фазовращателей (фиг. 2) содержит n фазовращателей 8, входы которых объединены и соединены с входом блока 4, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя 8_i.

Блок 2 дисперсионных фазовращателей (фиг. 3) содержит m фазовращателей 10 и m фильтров 9, входы которых объединены и соединены с входом блока 2, j-й выход которого соединен с выходом соответствующего j-го фазовращателя 10_j, вход которого соединен с выходом соответствующего j-го фильтра 9_j.

Блок 5 сумматоров содержит n m-входовых сумматоров 11 и один n-входовой сумматор 12, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го m-входового сумматора 11_i, m входов которого соединены с соответствующими m входами блока 2 каждого из n m-входовых сумматоров, выход блока 2 соединен с выходом n-входового сумматора 12.

Пространственно-временной коррелятор работает следующим образом.

Большинство тактико-технических характеристик РЛС количественно определяется величиной отношения сигнал-шум на входе приемника. Чем больше это отношение, тем выше вероятность правильного обнаружения, точность оценки параметров при измерении и разрешающая способность РЛС [5]. Для улучшения соотношения сигнал-шум необходимо увеличить энергию излучаемого сигнала и применить оптимальную пространственно-временную обработку. При этом наиболее простой является раздельная обработка принимаемых сигналов, выполняемая в два независимых этапа: на первом этапе - пространственная, а на втором - временная обработка. В результате пространственной обработки происходит переход от многих пространственных каналов к одному пространственному каналу, формирование диаграммы направленности антенны с максимумом в направлении, совпадающем к ожидаемому направлению прихода отраженного сигнала. Пространственная обработка позволяет максимизировать отношение сигнал-шум на выходе коррелятора по угловым координатам α и β, а временная обработка - по параметрам τ и f_D, где τ - соответствует задержке сигнала, а f_D - допплеровская частота. Однако раздельная пространственно-временная обработка возможна только при выполнении условия разделимости [3]
L•Δf_c/c ≪ 1, (1)
где L - максимальный размер антенны;
Δf_c - ширина спектра принимаемого сигнала;
c - скорость распространения электромагнитных колебаний.

И, если соотношение

можно представить в виде произведения двух функций, одна из которых зависит от α и β а другая - от τ и f_D, где n - количество приемных каналов;
сигнал на i-м входе коррелятора;
S_oi(t) - опорный (ожидаемый полезный) сигнал, подаваемый на коррелятор;
Δα, Δβ - угловая расстройка опорного сигнала по отношению направления прихода отраженного сигнала.

Пространственная обработка в пространственно-временном корреляторе (фиг. 1) заключается в выравнивании фаз сигналов r_i, принимаемых с заданного направления и поступающих на первый вход соответствующих смесителей 1. При обработке узкополосных сигналов временным сдвигом между наиболее удаленными излучателями можно пренебречь, так как время запаздывания сигнала τ_зап намного меньше величины, обратной ширине спектра Δf_c, т.е.

А выравнивание фаз в этом случае осуществляет путем умножения принимаемого сигнала r_i в каждом канале РЛС на соответствующий фазовый множитель Exp{ji, Δϕ(α,β)}. Эта операция выполняется в каждом смесителе 1, на вторые входы которых подаются опорные напряжения управляемого местного гетеродина, предварительно пропущенного через фазовращатели 8 (фиг. 2) блока 4 фазовращателей и регулируемые усилители 3 (фиг. 1). Сфазированные входные сигналы можно когерентно суммировать.

При обработке широкополосного сигнала условие (3) не выполняется, а

За счет неодинакового набега фаз Δϕ_i для различных спектральных составляющих произвольные участки спектра пронимаемого сигнала суммировать когерентно уже невозможно, а набег фаз определяется выражением
Δϕ_i = 2π(f₀+Δf_i)τ_зап,
где f_o - несущая частота сигнала;
Δf_i - участок ширины спектра сигнала, для которого выполняется условие узкополосности.

При обработке узкополосного сигнала Δf_i стремится к нулю, Δϕ_i = 2πf₀τ_запi одинаковые для всех излучателей, а принимаемые сигналы суммируются когерентно.

Однако, если широкополосный сигнал, принимаемый от каждого излучателя, разделить на m участков

где участок ширины спектра сигнала, для которого выполняется условие (3) узкополосности (для узкополосного сигнала m=1),
то можно сфазированные на каждом участке сигналы когерентно суммировать.

Разделение широкополосного сигнала на m участков осуществляется с помощью введенных блоков 2 дисперсионных фазовращателей (фиг. 3), сигналы на входы которых поступают с соответствующих смесителей 1 (фиг. 1). В блоках 2 дисперсионных фазовращателей фаза ϕ(t) сигнала изменяется в зависимости от частоты принимаемого сигнала по следующему закону
ϕ(t) = 2πfτ_зап,
где f - спектральная составляющая принимаемого сигнала.

Для разделения широкополосного сигнала на m участков полоса пропускания каждого из m фильтров блока 2 дисперсионных фазовращателей (фиг. 3) определяется условием (3) узкополосности каждого участка. На выходе каждого блока 2 дисперсионных фазовращателей фаза принимаемого сигнала изменяется таким образом, что все спектральные составляющие широкополосного сигнала, поступающие на n групп входов m входов в каждой группе блока 5 сумматоров, суммируются когерентно.

С выходов блока 5 сумматоров (фиг. 1) сигнал поступает на второй вход преобразователя 6 частоты, на первый вход которого поступает ожидаемый полезный сигнал, а с его выхода - на вход интегратора 7. С помощью преобразователя частоты 6 и интегратора 7 производится временная обработка принимаемых сигналов, которая заключается в вычислении корреляционного интегратора произведения сумма сфазированного входного сигнала и ожидаемого полезного сигнала. При этом в предлагаемом пространственно-временном корреляторе осуществлена оптимальная обработка сигналов, а, следовательно, повышается отношение сигнал-шум на его выходе.

Для независимого управления по обеим угловым координатам к каждому смесителю коррелятора нужно подвести гетеродинное напряжение, прошедшее через две секции фазовращателей. Однако можно ставить один фазовращатель, но закон управления им усложняется.

Таким образом, за счет введения в пространственно-временной коррелятор m блоков дисперсионных фазовращателей и блока сумматоров производится дополнительное выравнивание фаз широкополосного сигнала и, как следствие, значительно повышается отношение сигнал-шум при обработке принимаемых широкополосных сигналов.

Литература
1. Адаптивные, радиотехнические системы с антенными решетками/ Журавлев А. К. , Хлебников В.А., Родимов А.П. и др. -Л.: Издательство Ленинградского университета, 1991. - 554 с.

2. В. С. Филлипов, Л.И.Пономарев, А.Ю.Гринев и др. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/ Учеб. пособие. -М.: Радио и связь, 1994. - 592 с.

3. Обработка сигналов в многоканальных РЛС/ А.П.Лукошкин, С.С.Каринский, А. А.Шаталов и др.; Под ред. А.П.Лукошкина. - М.: Радио и связь, 1983. - 328 с.

4. Обработка сигналов в радиотехнических системах: Учеб. пособие/ А.Д. Далматов, А.А.Елисеев, А.П.Лукошкин, А.А.Оводенко, Б.В.Устинов; Под ред. А. П.Лукошкина. -Л.: Издательство Ленинградского университета, 1987. - 400 с.

5. Теоретические основы радиолокации: Учебн. пособие для вузов/ А.А. Коростелев, Н.Ф.Клюев, Ю.А.Мельник и др.; Под ред. В.Е.Дулевича. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

Изобретение относится к области обработки сигналов в радиотехнических системах и может быть использовано в радиолокационных системах. Техническим результатом является повышение отношения сигнал-шум на выходе пространственно-временного коррелятора при обработке широкополосных сигналов. Указанный технический результат достигается тем, что в пространственно-временной коррелятор, содержащий n регулируемых усилителей, n смесителей, блок фазовращателей, преобразователь частоты и интегратор, введены n дисперсионных фазовращателей и блок сумматоров, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты, i-я группа входов блока сумматоров по m входов в каждой группе, где m - количество интервалов спектра, на которые разбивается широкополосный сигнал, соединена с соответствующими выходами соответствующих i-x дисперсионных фазовращателей, входы которых соединены с выходами соответствующих i-x смесителей. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Пространственно-временной коррелятор, содержащий n регулируемых усилителей с коэффициентом передачи f_i(ϕ), где ϕ -угол, характеризующий направление прихода фронта волны полезного сигнала в угломестной или азимутальной плоскости, n смесителей, где n - количество приемных каналов, блок фазовращателей, преобразователь частоты и интегратор, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого соединен с первым входом i-го смесителя соответственно, второй вход которого соединен с выходом соответствующего i-го регулируемого усилителя, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, причем блок фазовращателей содержит n фазовращателей для настройки на заданное направление приема, входы которых объединены и соединены с входом блока, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя, отличающийся тем, что в него введены n дисперсионных фазовращателей и блок сумматоров, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты, i-я группа входов блока сумматоров по m входов в каждой группе, где m - количество интервалов спектра, на которые разбивается широкополосный сигнал, соединена с соответствующими выходами соответствующих i-х дисперсионных фазовращателей, входы которых соединены с выходами соответствующих i-х смесителей. 2. Коррелятор по п.1, отличающийся тем, что каждый блок дисперсионных фазовращателей содержит m фазовращателей и m фильтров, входы которых объединены и соединены с входом блока, j-й выход которого соединен с выходом соответствующего j-го фазовращателя, вход которого соединен с выходом соответствующего j-го фильтра. 3. Коррелятор по п.1, отличающийся тем, что блок сумматоров содержит n m-входовых сумматоров и один n-входовой сумматор, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го m-входового сумматора, m входов каждого из которых соединены с соответствующими входами блока всех n групп входов, выход которого соединен с выходом n-входового сумматора.