ДОПЛЕРОВСКИЙ ФАЗОМЕТР МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения разности доплеровских набегов фаз (радиальной скорости объекта) многочастотных радиоимпульсных периодических сигналов на фоне шума; может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного определения доплеровской скорости.

Известен фазометр среднего значения набега фазы [1], содержащий последовательно соединенные фазометр мгновенного значения, блок памяти, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом фазометра мгновенного значения, блок свертки, тригонометрический преобразователь, два выхода которого соединены с двумя одинаковыми каналами, состоящими из последовательно соединенных перемножителя и блока усреднения, выходы блока усреднения каждого канала соединены с соответствующими входами блока вычисления фазы, вторые входы перемножителя через блок вычисления модуля соединены со входом фазометра мгновенного значения, являющимся входом устройства. Однако данное устройство из-за двойного тригонометрического преобразования обладает большой аппаратурной погрешностью, имеет малые пределы измерения фазы [-π/2;π/2].
Известен также фазометр [2], содержащий два сумматора, входы которых являются входами фазометра, к ним также подключены детекторы огибающих, выходы сумматоров соединены через последовательно включенные усилители с АРУ, линии задержки и ключи со вторыми входами сумматоров, вторые входы ключей соединены с выходами детекторов огибающих, а вторые входы усилителей с АРУ подключены к выходам источника опорных напряжений, выходы сумматоров соединены со входами смесителей, выходы которых через последовательно соединенные фильтры нижних частот и избирательные усилители подключены ко входам фазоиндикатора, выход одного из фильтров нижних частот соединен со входом системы ФАПЧ, выходы которой соединены со вторыми входами смесителей. Однако данное устройство имеет низкую точность измерения и, кроме того, из-за наличия в нем системы ФАПЧ обладает повышенной инерционностью.

Наиболее близким к изобретению является фазометр доплеровского набега фазы радиоимпульсных сигналов [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий блок задержки, выходы которого соединены со входами блока комплексного сопряжения (на основе инвертора), выходы которого соединены со вторыми входами блока комплексного умножения, первые входы которого объединены со входами блока задержки, являющимися входами фазометра, выходы блока комплексного умножения соединены со входами блока усреднения, выходы которого соединены со входами блока вычисления модуля и входами блока вычисления фазы, а также со вторыми входами блока коррекции пределов измерения, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления фазы; выход блока коррекции пределов измерения соединен со входом ключа, управляющий вход которого подключен через пороговый блок к выходу блока вычисления модуля, второй вход порогового блока соединен с выходом блока памяти. Однако данное устройство обладает невысокой эффективностью обнаружения и ограниченным диапазоном измерения доплеровской (радиальной) скорости.

Задачей, решаемой в изобретении, является повышение эффективности обнаружения и расширение диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей.

Для решения поставленной задачи в доплеровский фазометр многочастотных сигналов, содержащий I-й канал, блок памяти, пороговый блок, блок вычисления фазы, блок коррекции пределов измерения, ключ и синхрогенератор, причем I-й канал состоит из блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, блока усреднения и блока вычисления модуля, введены дополнительно II-й канал, дополнительный блок комплексного сопряжения, дополнительный блок комплексного умножения, дополнительный блок умножения, дополнительный блок памяти, дополнительный сумматор, причем II-й канал состоит из блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, блока усреднения и блока вычисления модуля.

Дополнительные блоки, введенные в предлагаемое устройство, являются известными. Так, соединенные вместе блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения и блок вычисления модуля, составляющие I-й (II-й) канал, совместно с пороговым блоком образуют инвариантную систему обработки радиосигналов и применяются для их обнаружения, однако неизвестно совместное применение I-го и II-го каналов, объединенных дополнительным сумматором. Новыми являются связи между блоком дополнительного комплексного умножения и блоком дополнительного комплексного сопряжения, связи между блоком усреднения I-го канала и блоком дополнительного комплексного умножения, связи между блоком дополнительного комплексного сопряжения и блоком усреднения II-го канала, связи между блоком дополнительного комплексного умножения и блоками вычисления фазы и коррекции пределов измерения, а также связи между дополнительным блоком умножения и блоком коррекции пределов измерения, что обеспечивает повышение эффективности обнаружения и расширение диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей. Связи между синхрогенератором и всеми блоками доплеровского фазометра многочастотных сигналов обеспечивают согласованную обработку многочастотной последовательности радиоимпульсов.

Сравнение с техническими характеристиками, известными из опубликованных источников информации, показывает, что заявляемое решение обладает новизной и имеет изобретательский уровень.

Заявляемое решение носит технический характер, осуществимо, воспроизводимо и, следовательно, является промышленно применимым.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема доплеровского фазометра многочастотных сигналов; на фиг. 2 - блока задержки; на фиг. 3 - блока комплексного сопряжения; на фиг. 4 - блока комплексного умножения; на фиг. 5 - блока усреднения; на фиг. 6 - блока вычисления модуля; на фиг. 7 - блока вычисления фазы; на фиг. 8 - блока коррекции пределов измерения; на фиг. 9 - блока присвоения знака; на фиг. 10 изображены характеристики обнаружения прототипа и предложенного устройства.

Доплеровский фазометр многочастотных сигналов содержит два канала (I-й, II-й), каждый из которых включает блок 1 задержки, блок 2 комплексного сопряжения, блока 3 комплексного умножения, блок 4 усреднения и блок 5 вычисления модуля, при этом выходы блока 1 задержки соединены со входами блока 2 комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока 3 комплексного умножения, выходы которого соединены со входами блока 4 усреднения, выходы которого соединены со входами блока 5 вычисления модуля, входами I-го (II-го) канала являются объединенные между собой одноименные входы блока 1 задержки и вторые входы блока 3 комплексного умножения, а первыми и вторым выходами I-го (II-го) канала являются соответственно выходы блока 4 усреднения и выход блока 5 вычисления модуля, блок 6 вычисления фазы, блок 7 коррекции пределов измерения, ключ 8, пороговый блок 9, блок 10 памяти, синхрогенератор 11, дополнительный блок 12 комплексного сопряжения, дополнительный блок 13 комплексного умножения, дополнительный блок 14 умножения, дополнительный блок 15 памяти, дополнительный сумматор 16.

Выход блока 6 вычисления фазы соединен с первым входом блока 7 коррекции пределов измерения, управляющий вход ключа 8 соединен с выходом порогового блока 9, первый вход которого соединен с выходом блока 10 памяти, первые выходы II-го канала соединены со входами дополнительного блока 12 комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами дополнительного блока 13 комплексного умножения, вторые входы которого соединены с первыми выходами I-го канала, выходы дополнительного блока 13 комплексного умножения соединены с одноименными входами блока 6 вычисления фазы и вторыми входами блока 7 коррекции пределов измерения, выход которого соединен с первым входом дополнительного блока 14 умножения, второй вход которого соединен с выходом дополнительного блока 15 памяти, выход дополнительного блока 14 умножения соединен со входом ключа 8, вторые выходы I-го и II-го каналов соединены со входами дополнительного сумматора 16, выход которого соединен со вторым входом порогового блока 9, выход синхрогенератора 11 соединен с синхровходами всех блоков доплеровского фазометра многочастотных сигналов, первыми и вторыми входами которого являются соответственно входы I-го и II-го каналов, а первым и вторым выходами - соответственно выходы ключа 8 и порогового блока 9.

Блоки 1 задержки (I-го (II-го) канала) содержат две линии задержки 17 на интервал T, входами блоков задержки являются входы линии задержки 17, выходы которых являются выходами блоков задержки.

Блок 2 комплексного сопряжения (I-го (II-го) канала) и дополнительный блок 12 комплексного сопряжения содержат инвертор 18, первый вход блока комплексного сопряжения является его первым выходом, вторым входом является вход инвертора 18, выход которого является вторым выходом блока комплексного сопряжения.

Блок 3 комплексного умножения (I-го (II-го) канала) и дополнительный блок 13 комплексного умножения содержат два канала (I, II), каждый из которых включает первый перемножитель 19, последовательно включенные второй перемножитель 20 и сумматор 21, выход первого перемножителя 19 одного канала соединен со вторым входом сумматора 21 другого канала, а первыми и вторыми входами блока комплексного умножения соответственно являются объединенные между собой первые входы первого и второго перемножителей 19, 20 каждого из каналов, объединенные вторые входы вторых перемножителей 20 и объединенные вторые входы первых перемножителей 19, а выходами блока комплексного умножения являются выходы сумматоров 21 каналов.

Блок 4 усреднения I-го (II-го) канала содержит два канала (I, II), каждый из которых состоит из N-1 последовательно включенных линий задержки 22 на интервал T и N-1 сумматоров 23, входами блока усреднения являются объединенные входы первой линии задержки 22 и первого сумматора 23 каждого канала (I, II), а выход K-й (K=2,(M-1)) линии задержки 22 соединен со вторым входом K-го (K=2,(N-1)) сумматора 23 каждого канала (I, II), выходами блока усреднения служат выходы (N-1)-го сумматора.

Блок 5 вычисления модуля I-го (II-го) канала содержит два блока 24 умножения и сумматор 25, входами блока вычисления модуля являются входы блоков 24 умножения, выходы которых соединены с первым и вторым входами сумматора 25, выход которого является выходом блока вычисления модуля.

Блок 6 вычисления фазы содержит последовательно соединенные делитель 26 и функциональный преобразователь 27, входами блока вычисления фазы являются входы делителя 26, а выходами блока вычисления фазы являются выходы функционального преобразователя 27.

Блок 7 коррекции пределов измерения содержит последовательно включенные модульный блок 28, сумматор 29, блок 30 присвоения знака, первый ключ 31, сумматор 32, при этом первый вход блока коррекции пределов измерения через второй ключ 33 соединен со вторым входом сумматора 32, выход блока памяти 34 соединен со вторым входом сумматора 29, третий вход блока коррекции пределов измерения соединен с управляющими входами первого 31 и второго 33 ключей, первый вход блока 30 присвоения знака является вторым входом блока коррекции пределов измерения, выход сумматора 32 является его выходом.

Блок 30 присвоения знака содержит блоки 35, 38 умножения, блок 36 памяти, ограничитель 37, причем первый вход блока присвоения знака является первым входом блока 35 умножения, второй вход которого соединен с выходом блока 36 памяти, выход блока 35 умножения соединен со входом ограничителя 37, выход которого соединен с первым входом блока 38 умножения, второй вход которого является вторым входом блока присвоения знака, выходом блока присвоения знака служит выход блока 38 умножения.

Доплеровский фазометр многочастотных сигналов работает следующим образом.

Многочастотный сигнал, состоящий из двух частотных компонент, поступает на вход каждого частотного канала приемника, где последовательно проходит каскады усиления, преобразуется в квадратурных фазовых детекторах в видеочастоту и через аналого-цифровые преобразователи (перечисленные блоки на фиг. 1 не показаны) поступает на входы заявляемого устройства. При этом квадратурные составляющие сигнала в каждом частотном канале описываются в одном элементе разрешения по дальности последовательностью комплексных величин

где U_j^(k) - j-й отсчет последовательности комплексных величин в k-м частотном канале;
x_j^(k) и y_j^(k) - соответственно действительная и мнимая части комплексного отсчета;
k - номер частотного канала, причем k = 1, 2;
ϕ(0

Отсчеты U_j⁽¹⁾ и U_j⁽²⁾ поступают соответственно на входы I-го и II-го канала (фиг. 1), где в блоках 1 задержки (фиг. 2) задерживаются на период повторения Т. После этого в блоке 2 комплексного сопряжения (фиг. 3) осуществляется комплексное сопряжение задержанного отсчета. Далее в блоке 3 комплексного умножения (фиг. 4) осуществляется обработка отсчетов в соответствии с алгоритмом

С выхода блоков 3 комплексного умножения отсчеты поступают в блоки 4 усреднения (фиг. 5), осуществляющие с помощью элементов 22 задержки и сумматоров 23 скользящее вдоль азимута суммирование, что приводит к образованию на выходах блоков 3 усреднения величин

С первых выходов I-го и II-го каналов (фиг. 1) отсчеты поступают соответственно на второй вход дополнительного блока 13 комплексного умножения и через дополнительный блок 12 комплексного сопряжения на первый вход дополнительного блока 13 комплексного умножения, где осуществляется обработка отсчетов в соответствии с алгоритмом, аналогичным выражению (3), что приводит к образованию на его выходе величины
X = a+ib = X⁽¹⁾X^(2)* = |X⁽¹⁾||X⁽²⁾|exp(iΔϕ), (5)
где Δϕ = ϕ⁽¹⁾-ϕ⁽²⁾ - разность доплеровских сдвигов фаз сигнала между двумя частотными каналами.

Величины а и b поступают на соответствующие входы блока 6 вычисления фазы (фиг. 7), где вычисляется оценка Δϕ = arctg(b/a). Последующие преобразования величины Δϕ происходят в блоке 7 коррекции пределов измерения (фиг. 8) и зависят от знака a. При а ≥ 0 открыт второй ключ 33, и величина через сумматор 32 непосредственно поступает на выход блока коррекции пределов измерения. При a < 0 открыт первый ключ 31, а второй ключ 33 закрыт. При этом в модульном блоке 28 образуется вычитаемый в блоке 29 из величины π, поступающей от блока 34 памяти. Полученной разности в блоке 30 присваивается знак величины b.

Блок 30 присвоения знака (фиг. 9) работает следующим образом. На первый вход блока присвоения знака поступает величина b (соотношение (5), где в блоке 35 умножения производится ее умножение на постоянный множитель из блока 36 памяти с целью масштабирования и дальнейшего ограничения в ограничителе 37 по уровню ± 1. Таким образом, после ограничения величина на выходе ограничителя 37 имеет смысл знака величины b, который, поступая на первый вход блока 38 умножения, присваивается разности π-|Δϕ|, поступающей на второй вход блока присвоения знака, то есть на второй вход блока 38 умножения с выхода сумматора 29.

Рассмотренные операции позволяют найти в блоке 6 вычисления фазы оценку разности фаз, находящуюся в пределах [-π/2,π/2], а затем в блоке 7 коррекции пределов измерения расширить пределы ее однозначного измерения [-π,π], в соответствии с алгоритмом

Дополнительный блок 14 умножения (фиг. 1) осуществляет умножение найденной оценки разности фаз на коэффициент d, хранящейся в дополнительном блоке 15 памяти, что позволяет найти однозначную оценку радиальной скорости в соответствии с алгоритмом

Таким образом, соответствующим выбором разноса несущих частот обеспечивается необходимый диапазон однозначно измеряемых доплеровских скоростей, который расширяется по сравнению с одночастотным сигналом в f_н/(f_н⁽¹⁾ - f_н⁽²⁾) раз. При этом сохраняется однозначность измерения дальности, которая обеспечивается соответствующим выбором периода повторения импульсов T.

Для уменьшения вероятности работы устройства по шумам в нем исключается выдача полученной оценки на выход в отсутствие отраженного от цели сигнала. С выходов блоков 4 усреднения I-го и II-го каналов (фиг. 1) величины a^(k) и b^(k) (соотношение (4)) поступают на входы блоков 5 вычисления (фиг. 6) модуля I-го и II-го каналов, где осуществляется обработка отсчетов в соответствии с алгоритмом
z^(K) = |X^(k)|² = (a^(k))²+(b^(k))². (8)
Далее отсчеты z^(k) с выходов блоков 5 вычисления модуля I-го и II-го каналов поступают на входы дополнительного сумматора 16, с выхода которого величина, равная
z = z⁽¹⁾ + z⁽²⁾ ≥ z₀,
поступает на второй вход порогового блока 9. Если происходит превышение над величиной порога z₀, записанной в блоке 10 памяти, то с выхода порогового блока 9 поступает сигнал разрешения прохождения результата вычисления с выхода дополнительного блока 14 умножения через ключ 8 на первый выход доплеровского фазометра многочастотных сигналов. В противном случае ключ 15 разомкнут. Кроме того, выход порогового блока 9, являющийся вторым выходом доплеровского фазометра многочастотных сигналов, может быть использован для отсчета других координат, например дальности.

Синхронизация доплеровского фазометра многочастотных сигналов осуществляется подачей на все блоки заявляемого устройства последовательности синхронизирующих импульсов, вырабатываемых синхрогенератором 11 (фиг. 1), с периодом повторения t_k, определяемым из условия обеспечения требуемой разрешающей способности по дальности.

На фиг. 10 изображены зависимости характеристик обнаружения D предложенного устройства (кривая 1) и прототипа (кривая 2) от отношения сигнал/шум на входе устройства. Характеристики получены методом статистического моделирования на ЭВМ при условии равных мощностей одночастотного и многочастотного сигналов, т. е. q⁽¹⁾ = q⁽²⁾ = q/2, где q - отношения сигнал/шум для одночастотного сигнала. Сравнение характеристик обнаружения D проводилось для случая экспоненциальной функции корреляции сигнала, вероятности ложной тревоги F = 10^-3, количества импульсов в пачке N = 20. Как видно, предложенное устройство по уровню 0.9 выигрывает у прототипа 2 дБ.

Таким образом, доплеровский фазометр многочастотных сигналов позволяет повысить эффективность обнаружения без увеличения энергии сигнала и получить требуемый диапазон однозначно измеряемых доплеровских скоростей при сохранении однозначного измерения дальности.

Библиография
1. А. С. N 737860 (СССР), МКИ G 01 R 25/00. Фазометр среднего значения набега фазы. / Э. В. Арбенин, А.В. Касаткин и В.А. Острожинский. Опубл. 30.05.1980. - Изобретения. - 1980. - N 20.- 226 с.

2. А.С. N 1195279 (СССР), МКИ G 01 R 25/00. Радиоимпульсный фазометр. / В. Я. Cуньян и Э.Е. Пашковский. Опубл. 30.11.1985. - Изобретения. - 1985. N 44. - 204 с.

3. А.С. N 1748086 (СССР), МКИ G 01 R 25/00. Фазометр доплеровского набега фазы радиоимпульсных сигналов. / Д.И. Попов, С.В. Герасимов и Е.Н. Матаев. Опубл. 15.07.92. - Изобретения. - 1992. N 26. -6 с.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения радиальной скорости объекта в многочастотных импульсных РЛС одновременного излучения; может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного определения доплеровской скорости. Доплеровский фазометр многочастотных сигналов содержит два частотных канала, осуществляющих на основе последовательно соединенных блоков задержки, комплексного сопряжения, комплексного умножения, усреднения и вычисления модуля обработку исходных отсчетов, схему вычисления оценки доплеровской скорости на основе последовательно соединенных блоков вычисления фазы, коррекции пределов измерения и дополнительного умножителя и две схемы объединения частотных каналов на основе дополнительного сумматора и дополнительного комплексного умножителя совместно с блоком комплексного сопряжения, применение которых позволяет повысить эффективность обнаружения и обеспечить необходимый диапазон однозначно измеряемых доплеровских скоростей, что является техническим результатом. 10 ил.

Доплеровский фазометр многочастотных сигналов, содержащий I-й канал, блок вычисления фазы, блок коррекции пределов измерения, блок памяти, пороговый блок, ключ и синхрогенератор, причем I-й канал состоит из блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, блока усреднения и блока вычисления модуля, при этом выходы блока задержки соединены со входами блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока комплексного умножения, выходы которого соединены со входами блока усреднения, выходы которого соединены со входами блока вычисления модуля, входами I-го канала являются объединенные между собой одноименные входы блока задержки и вторые входы блока комплексного умножения, а первыми и вторыми выходами I-го канала являются соответственно выходы блока усреднения и выход блока вычисления модуля, выход блока вычисления фазы соединен с первым входом блока коррекции пределов измерения, управляющий вход ключа соединен с выходом порогового блока, первый вход которого соединен с выходом блока памяти, выход синхрогенератора соединен с синхровходами блока задержки I-го канала, блока комплексного сопряжения I-го канала, блока комплексного умножения I-го канала, блока усреднения I-го канала, блока вычисления модуля I-го канала, блока памяти, порогового блока, блока вычисления фазы, блока коррекции пределов измерения и ключа, отличающийся тем, что введены дополнительно II-й канал, дополнительный блок комплексного сопряжения, дополнительный блок комплексного умножения, дополнительный блок умножения, дополнительный блок памяти, дополнительный сумматор, причем II-й канал состоит из блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, блока усреднения и блока вычисления модуля, при этом выходы блока задержки соединены со входами блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока комплексного умножения, выходы которого соединены со входами блока усреднения, выходы которого соединены со входами блока вычисления модуля, входами II-го канала являются объединенные между собой одноименные входы блока задержки и вторые входы блока комплексного умножения, а первыми и вторым выходами II-го канала являются соответственно выходы блока усреднения и выход блока вычисления модуля, вторые выходы I-го и II-го каналов соединены со входами блока дополнительного сумматора, выход которого соединен со вторым входом порогового блока, первые выходы I-го канала соединены со вторыми входами дополнительного блока комплексного умножения, первые входы которого соединены с выходами дополнительного блока комплексного сопряжения, входы которого соединены с первыми выходами II-го канала, выходы дополнительного блока комплексного умножения соединены с одноименными входами блока вычисления фазы и вторым и третьим входами блока коррекции пределов измерения, выход блока коррекции пределов измерения соединен с первым входом дополнительного блока умножения, второй вход которого соединен с выходом дополнительного блока памяти, выход дополнительного блока умножения соединен со входом ключа, выход синхрогенератора соединен с синхровходами блока задержки II-го канала, блока комплексного сопряжения II-го канала, блока комплексного умножения II-го канала, блока усреднения II-го канала, блока вычисления модуля II-го канала, дополнительного блока комплексного сопряжения, дополнительного блока комплексного умножения, дополнительного блока умножения, дополнительного блока памяти, дополнительного сумматора, причем первыми и вторыми входами доплеровского фазометра многочастотных сигналов являются соответственно входы I-го и II-го каналов, а первым и вторым выходами - соответственно выходы ключа и порогового блока.