УСТРОЙСТВО ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА И АНТЕННА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях для подавления боковых лепестков диаграммы направленности антенны (ДНА) и для оптимизации ее параметров в процессе обзора пространства и сопровождения объектов.

Простейшее устройство пространственной обработки сигнала состоит из антенны, соединенной о блоком измерения уровня, сигнала и сравнения его с порогом. При этом для уменьшения боковых лепестков ДНА используют закон амплитудного распределения поля в раскрыве антенны вида f(x)≠1, т.е. отличного от оптимального (равномерного) (Справочник по радиоэлектронным системам, под ред. Б.Х. Кривицкого, т.2, М.: Энергия, 1979, с.85, табл.7-2). При этом суммируют энергию колебания, падающую на участки раскрыва антенны с различным весом, определяемым видом весовой функции. Чаще всего используют функцию f(x) с пьедесталом - величиной Δ (там же):
F(x) = Δ+(1-Δ)f(x) (1).
При и Δ=0,08 уровень наибольшего бокового лепестка меньше, чем у равномерного распределения на 30 дБ, которое получается при Δ=1, а уровень главного лепестка уменьшается на 1,34 дБ. Изменяя параметр Δ, можно в широких пределах изменять уровень боковых лепестков при значительно меньших колебаниях уровня главного лепестка.

Известно построение антенны, которая является ближайшим аналогом к заявляемой, реализующей амплитудное распределение, отличное от равномерного. Известная антенна (А.И. Леонов, К.И. Фомичев, Моноимпульсная радиолокация, М. : Радио и связь, 1984, стр.27, рис.2.15) состоит (фиг.1) из N излучателей 1, N модулей управления 2, N делителей мощности 3, с коэффициентами деления K_i где i = 1...N, определяемыми весовой функцией амплитудного распределения поля в раскрыве антенны f₁(х), сумматор сигналов 4 и N нагрузок 5, при этом входы модулей управления 2 соединены: с излучателями 1, а выходы - с входами соответствующих делителей мощности 3, первые выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора сигналов 4, а вторые - с входами соответствующих нагрузок 5, выход сумматора сигналов 4 является выходом антенны, соответствующим амплитудному распределению с весовой функцией f₁(x).

Модули управления 2 включают в себя управляемые фазовращатели, если антенна работает только на прием, или еще и переключатели "прием-передача", если антенна является приемопередающей. Совокупность делителей мощности 3, в качестве которых могут использоваться направленные ответвители, создает амплитудное распределение поля в раскрыве антенны. При этом через делитель с первого выхода на сумматор сигналов проходит лишь часть мощности, определяемая коэффициентом деления, а другая часть с второго выхода поглощается в нагрузке. За счет потерь части принимаемой энергии в нагрузке ухудшается коэффициент использования антенны, что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум и расширению ДНА.

Недостаток известных устройства и антенны состоит в том, что при большой мощности принимаемого колебания в области бокового лепестка ДНА сигнал превысит порог, что приведет к обнаружению ложного объекта, смещенного по угловой координате относительно истинного, а также и в том, что отклонение амплитудного распределения поля от равномерного приводит к ухудшению отношения сигнал/шум и разрешающей способности по угловой координате.

Известно устройство пространственной обработки сигнала, обеспечивающее подавление приема по боковым лепесткам ДНА, содержащее основной приемный канал, состоящий из основной антенны, соединенной с основным приемником, и дополнительный приемный канал, состоящий из дополнительной антенны, соединенной с дополнительным приемником, при этом выходы приемников соединены с соответствующими входами ячейки вычитания, выход которой является выходом устройства (Теоретические основы радиолокации, под ред. Я.Д. Ширмана, М.: Сов. радио, 1970, с.318, последний абз.).

При этом параметры дополнительного приемного канала подбираются таким образом, чтобы сигналы на его выходе превышали по амплитуде сигналы на выходе основного канала, принятые по боковым лепесткам, но были бы меньше сигналов, принятых по главному лепестку.

Недостатки этого устройства состоят в следующем:
1) требуется дополнительная антенна;
2) диаграмма направленности дополнительной антенны должна во всех направлениях перекрывать уровень боковых лепестков основной антенны, что трудно обеспечить;
3) в главном направлении будут потери сигнала за счет вычитания из него сигнала дополнительного канала.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство пространственной обработки сигнала (фиг. 2), содержащее антенну 6 с двумя выходами, соответствующими диаграммам направленности, смещенным относительно пеленга на угол соответственно +θ_u-θ и блок сравнения уровней сигналов и принятия решения 7, при этом выходы антенны 6 соединены с соответствующими входами блока сравнения уровней сигналов и принятия решения 7, выход которого является выходом устройства. Блок сравнения уровней сигнала и принятия решения 7 состоит из двух логарифмических усилителей и ячейки вычитания, при этом входы усилителей являются входами блока, выходы соединены с соответствующими входами ячейки вычитания, а ее выход является выходом блока. (Там же, с.297, рис.5.60, 5.62).

Это устройство реализует моноимпульсный способ измерения угловых координат. При этом направление, в котором сигналы на выходах антенны равны, считают пеленгом на объект.

Недостаток устройства и антенны состоит в том, что оно не устраняет действия боковых лепестков, поскольку в области боковых лепестков также будут образовываться равносигнальные зоны (там же, с.299, 1 абз.), а также в потерях отношения сигнал/шум и разрешающей способности, связанных с отклонением амплитудного распределения поля от равномерного.

Изобретение направлено на решение следующей задачи:
создание устройства пространственной обработки сигнала, обеспечивающего исключение ложного обнаружения объекта, находящегося в области боковых лепестков ДНА, и устранение потерь, связанных с отклонением амплитудного распределения поля в антенне от равномерного.

Эта задача решается за счет изменения конструкции выходов антенны и введения дополнительного блока с функциями взаимодействия с другими блоками на основе способа пространственной обработки сигнала по патенту 2121156, включающего в себя операцию сравнения уровней колебаний, принятых антенной при n > 1 формах диаграммы направленности с совпадающими положениями максимумов, и операцию принятия решения об обнаружении сигнала, если любое из принятых колебаний превысит порог, а различия их уровней не выше допустимых пределов.

Указанный результат достигается тем, что в устройство пространственной обработки сигнала, содержащее антенну с двумя выходами и блок сравнения уровней сигналов и принятия решения, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению первый и второй выходы антенны выполнены с возможностью обеспечения амплитудных распределений поля в ее раскрыве с весовыми функциями соответственно f₁(x) и f₂(x) и введен блок формирования n результирующих диаграмм направленности, каждый из n выходов которого соединен с соответствующим ему входом блока сравнения уровней сигналов и принятия решения, а входы - с выходами антенны.

Тем, что блок формирования n диаграмм направленности, включающий в себя (n+1) усилителей У_i при i=1...(n+1) и n сумматоров Σ_l при l=1...n, согласно изобретению вход усилителя У₁ является первым входом блока, а выход соединен с первыми входами сумматоров, входы усилителей У₂...У_n+1 соединены и являются вторым входом блока, а выход усилителя У_j при j=2...(n+1) соединен с 2-м входом сумматора Σ_(j-1), выход которого является (j-1)-м выходом блока.

Тем, что блок сравнения уровней сигнала и принятия решения, включающий в себя n логарифмических усилителей U_i при i=1...n, (n-1) ячеек вычитания B_j при j= 1. . .(n-1), n ячеек порога П_i, ячейку запрета, согласно изобретению вход усилителя U_i является, i-м входом блока, выход усилителя U₁ соединен с первыми входами ячеек вычитания, а выход усилителя U_l при l=2...n - с вторым входом ячейки вычитания B_l-1, выход которой соединен с входом ячейки порога П_l-1, выходы ячеек порогов П₁...П_n-1 соединены с первым входом ячейки запрета, вход ячейки порога П_n соединен с входом усилителя U₁, а выход - с вторым входом ячейки запрета, выход которого является выходом блока.

Указанный результат достигается также тем, что в антенну, включающую в себя N излучателей, N модулей управления, N делителей мощности с коэффициентами деления, определяемыми весовой функцией амплитудного распределения поля в раскрыве антенны f₁(x), и первый сумматор сигналов, при этом входы модулей управления соединены с излучателями, а выходы - с входами соответствующих делителей мощности, первые выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора сигналов, выход которого является первым выходом антенны, соответствующим амплитудному распределению с весовой функцией f₁(x), согласно изобретению введен второй сумматор сигналов, каждый из входов которого соединен с вторым выходом соответствующего ему делителя мощности, выход второго сумматора сигналов является вторым выходом антенны, соответствующим амплитудному распределению с весовой функцией f₂(x)=1-f₁(x).

Объединение двух технических решений в одну заявку, одно из которых предназначено для использования в другом (устройства и его часть - антенна), связано с тем, что эти устройства подчинены решению одной общей задачи.

Устройство может быть реализовано с использованием антенны, а антенна может быть использована самостоятельно в случаях, когда требуется управлять формой ДНА за счет изменения веса суммирования сигналов, снимаемых о выходов антенны. Это может быть использовано на различных стадиях процесса обнаружения и сопровождения объекта. Так, когда осуществляется обнаружение объекта на максимальной дальности, то важно было бы обеспечить максимальное отношение сигнал/шум, допуская больший уровень боковых лепестков ДНА; после обнаружения объекта по мере его приближения уровень сигнала возрастает и требование к обеспечению наибольшего отношения сигнал/шум ослабевает, но возрастает требование к снижению уровня боковых лепестков. В этом случае может быть использована предлагаемая антенна отдельно от предлагаемого устройства.

Изобретение иллюстрируется схемами. На фиг.1 приведена блок-схема известной антенны, на фиг.2 - известного устройства пространственной обработки сигнала, на фиг.3 - предлагаемого устройства пространственной обработки, на фиг. 4 и фиг. 5 - блоков соответственно формирования результирующей ДН и сравнения уровней сигналов и принятия решения, входящих в предлагаемое устройство, на фиг.6 - блок-схема предлагаемой антенны.

Предлагаемое устройство пространственной обработки сигнала (фиг.3) содержит антенну 6 с двумя выходами, блок сравнения уровней сигналов и принятия решения 7, блок формирования результирующих ДН 8, при этом первый и второй выходы антенны 6 с ДН, сформированными весовыми функциями амплитудного распределения поля в раскрыве соответственно f₁(x) и f₂(x), соединены с входами блока формирования результирующих ДН 8, каждый из n выходов которого соединен с соответствующим ему входом блока сравнения уровней сигналов и принятия решения 7, выход которого является выходом устройства.

Предлагаемый блок формирования n результирующих ДН (фиг.4) состоит из n+1 усилителей 9 У_i, где i=1...(n+1), и n сумматоров 10 Σ_l, где l=1...n, при этом вход усилителя У₁ является первым входом блока, а выход соединен с первыми входами сумматоров 10, входы усилителей 9 У₂...У_n+1 соединены между собой и являются вторым входом блока, а выход усилителя У_j, где j=2...(n+1), соединен с вторым входом сумматора Σ_(j-1), выход которого является (j-1)-м выходом блока.

Предлагаемый блок сравнения уровней сигналов и принятия решения (фиг.5) включает в себя n логарифмических усилителей 11 U_i, где i=1...n, (n-1) ячеек вычитания 12 B_j, где j=1...(n-1), n ячеек порога 13 П_i и ячейку запрета 14, при этом вход усилителя U_i является i-м входом блока, выход усилителя U₁ соединен с первыми входами ячеек вычитания 12, а выход усилителя U_l, где l= 2. ..n, - с вторым входом ячейки вычитания B_l-1, выход ячейки вычитания B_j - с входом ячейки порога П_j, выходы ячеек порогов П₁... П_n-1 соединены с первым входом ячейки запрета 14, вход ячейки порога П_n соединен с входом усилителя U₁, а выход - с вторым входом ячейки запрета 14, выход которой является выходом блока.

Предлагаемая антенна (фиг.6) состоит из N излучателей 1, N модулей управления 2, N делителей мощности 3 с коэффициентами деления K_i при i=1...N, определяемыми весовой функцией амплитудного распределения поля в раскрыве антенны f₁(x), первого и второго сумматоров 4, при этом входы модулей управления 2 соединены с излучателями 1, а выходы - с входами соответствующих делителей мощности 3, первые выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора сигналов, а вторые - с входами второго сумматора сигналов, выходы первого и второго сумматоров сигналов являются первым и вторым выходами антенны с ДН, сформированными с использованием весовых функций амплитудного распределения поля в раcкрыве антенны f₁(x) и f₂(x) = 1-f₁(x) соответственно.

Работа устройства и антенны на основе изобретения состоит в следующем.

С первого и второго выходов антенны 6 (фиг.3) на первый и второй входы блока формирования результирующих ДН 8 поступают сигналы, принятые антенной с ДН, сформированной с применением весовой функции амплитудного распределения соответственно f₁(x) и f₂(x).

В блоке формирования n результирующих ДН 8 (фиг.4) проводят суммирование двух сигналов с различными весами, определяемыми соотношениями коэффициентов усиления усилителей 9 У₁ (К₁) и У₂ (К₂), в сумматорах 10.

Тогда на j-м выходе блока будет получен сигнал, принятый антенной с результирующей ДН, с весовой функцией
F(x) = K₁[f₁(x)+Δ_jf₂(x)],
где .

Если взять f₂(x)=1-f₁(x) и опустить нормирующий множитель К₁, то
F(x) = Δ_j+(1-Δ_j)f₁(x).
Таким образом, будет получена весовая функция, вида (1) (см. выше).

Если коэффициенты усиления усилителей У₁ и У₂ будут равны, т.е. Δ₁= 1, то на первом выходе будет получен сигнал, принятый ДH с равномерным амплитудным распределением (F₁(x)=1). Путем подбора значений коэффициентов усиления усилителей У₃...У_n+1 на выходах 2...n могут быть получены сигналы, принятые антенной с ДН, образованными с использованием различных видов амплитудного распределения.

Уровни полученных сигналов на выходах 2...n блока 8 сравниваются с уровнем сигнала на первом выходе этого же блока в блоке сравнения уровней сигналов и принятия решения 7 (фиг.5).

За счет усиления сигналов в логарифмических усилителях 11 и вычитания в ячейках вычитания 12 будет получен сигнал, определяемый величиной отношения который сравнивается с пороговым уровнем в ячейках порога 13 П₁...П_n-1.

Если сигнал принимается с пеленгового направления (наибольший его уровень будет на входе 1 блока 2, т.к. F₁(x)=1) и превышает пороговый уровень ячейки порога П_n, то он пройдет на второй вход ячейки запрета 14.

Так как при этом на выходе ячеек порогов П₁...П_n-1 сигнал будет отсутствовать (поскольку разброс значений уровня сигналов в пеленговом направлении при различных значениях F_i(x) будет ниже пороговых уровней), то сигнал пройдет через ячейку запрета 14 на выход блока.

Если принят сигнал с бокового направления, то хотя бы на выходе одной из ячеек порогов П₁...П_n-1 будет получен сигнал (различия уровней боковых лепестков могут достигать десятков дБ), в результате чего сигнал с выхода ячейки порога П_n через схему запрета 14 не пройдет.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает прием сигнала с пеленгового направления без потерь, обуславливаемых отклонением амплитудного распределения от равномерного и подавление сигналов с бокового направления.

Для реализации заявленного устройства может быть использована предлагаемая антенна (фиг.6), которая отличается от известной (фиг.1) тем, что нагрузки 7 заменены вторым сумматором сигналов. Этот сумматор обеспечивает суммирование энергии сигнала, которая в аналоге (фиг.1) терялась в нагрузке, и выдачу ее на втором выходе антенны. При суммировании энергии сигнала с первого и второго выходов антенны с равным усилением в усилителях У₁ и У₂, т.е. Δ₁= I (фиг.4), на выходе сумматора будет получен сигнал, принятый антенной с равномерным распределением, т.е. максимальный.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях для подавления боковых лепестков диаграммы направленности антенны (ДНА) и для оптимизации ее параметров в процессе обзора пространства и сопровождения объектов. Техническим результатом является создание устройства, обеспечивающего исключение ложного обнаружения объекта за счет действия боковых лепестков диаграммы направленности антенны и устранение потерь, связанных с отклонением амплитудного распределения поля в антенне от равномерного. Технический результат достигается за счет изменения конструкции выходов антенны и введения дополнительного блока. Для этого в устройство пространственной обработки сигнала, содержащее антенну с двумя выходами и блок сравнения уровней сигналов и принятия решения, выход которого является выходом устройства, первый и второй выходы антенны сделаны выходами, соответствующими амплитудным распределениям поля в ее раскрыве с весовыми функциями соответственно f₁(x) и f₂(х), и введен блок формирования n результирующих диаграмм направленности, каждый из n выходов которого соединен с соответствующим ему входом блока сравнения уровней сигналов и принятия решения, а выходы - с выходами антенны. В антенну, включающую в себя N излучателей, N модулей управления, N делителей мощности с коэффициентами деления, определяемыми весовой функцией амплитудного распределения поля в раскрыве антенны f₁(х), и первый сумматор сигналов, при этом входы модулей управления соединены с излучателями, а выходы - с входами соответствующих делителей мощности, первые выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора сигналов, выход которого является первым выходом антенны, соответствующим амплитудному распределению с весовой функцией f₁(х), введен второй сумматор сигналов, каждый из входов которого соединен со вторым выходом соответствующего ему делителя мощности, выход второго сумматора сигналов является вторым выходом антенны, соответствующим амплитудному распределению с весовой функцией f₂(x)=1-f₁(х). 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство пространственной обработки сигнала, содержащее антенну с двумя выходами и блок сравнения уровней сигналов и принятия решения, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что первый и второй выходы антенны выполнены с возможностью обеспечения амплитудных распределений поля в ее раскрыве с весовыми функциями соответственно f₁(x) и f₂(x) и введен блок формирования n результирующих диаграмм направленности, каждый из n выходов которого соединен с соответствующим ему входом блока сравнения уровней сигналов и принятия решения; а входы - с выходами антенны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования n результирующих диаграмм направленности, включает в себя n+1 усилителей У_i, где i= 1...(n+1) и n сумматоров Σ_l, где l=1...n, при этом вход усилителя У₁ является первым входом блока, а выход соединен с первыми входами сумматоров, входы усилителей У₂. . . У_(n+1) соединены и являются вторым входом блока, а вход усилителя У_j, где j=2...(n+1) соединен со вторым входом сумматора Σ_(j-1), выход которого является (j-1)-м выходом блока. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок сравнения уровней сигнала и принятия решения включает в себя n логарифмических усилителей U_i, где i=1...n, n-1 ячеек вычитания В_j, где j=1...(n-1), n ячеек порогов П_i, ячейку запрета, при этом вход усилителя U_i является i-м входом блока, выход усилителя U₁ соединен с первыми входами ячеек вычитания, а выход усилителя U_l, где l= 2...n - со вторым входом ячейки вычитания В_l-1, выход которой соединен со входом ячейки порога П_l-1, выходы ячеек порогов П₁...П_n-1 соединены с первым входом ячейки запрета, вход ячейки порога П_n соединен со входом усилителя U₁, а выход - со вторым входом ячейки запрета, выход которой является выходом блока. 4. Антенна, включающая в себя N излучателей, N модулей управления, N делителей мощности с коэффициентами деления, определяемыми весовой функцией амплитудного распределения поля в раскрыве антенны f₁(х), и первый сумматор сигналов, при этом входы модулей управления соединены с излучателями, а выходы - со входами соответствующих делителей мощности, первые выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора сигналов, выход которого является первым выходом антенны, соответствующим амплитудному распределению с весовой функцией f₁(х), отличающаяся тем, что введен второй сумматор сигналов, каждый из входов которого соединен со вторым выходом соответствующего ему делителя мощности, выход второго сумматора сигналов является вторым выходом антенны, соответствующим амплитудному распределению с весовой функцией f₂(x) = 1- f₁(х).