ИЗМЕРИТЕЛЬ ШИРИНЫ ФУНКЦИИ РАССЕЯНИЯ СРЕДЫ Российский патент 2002 года по МПК G01S13/95 G01R29/08 

Изобретение относится к технике диагноза и мониторинга рассеивающих свойств среды распространения радиоволн при бистатической локации - методом пассивной локации искусственного источника излучения радиоволн со сканирующей диаграммой направленности.

Рассматриваемая ситуация характеризуется расположением зондирующего источника и измерителя на разных концах трассы с рассеянием. При этом характеристика (идентификация) трассы распространения производится по параметру когерентности поля в месте приема, определяемому тем или иным способом в [1, 2] . Однако, кроме зависимости от состояния трассы распространения, значение параметра когерентности в месте приема определяется и шириной диаграммы направленности источника излучения, что не учитывается в [1, 2] и приводит к ошибке при оценке рассеивающих свойств среды.

Повышение точности оценки когерентности поля обеспечивает наиболее близкое по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению "Устройство для определения параметра когерентности" [2]. Получение положительного эффекта в этом устройстве достигается за счет формирования двух диаграмм направленности (ДН), обеспечивающих раздельный по углам прихода прием регулярной и рассеянной составляющих поля. Формирование разнесенных по углу ДН производится посредством двух вынесенных из фокуса зеркальной антенны облучателей и суммарно-разностных преобразований колебаний с выходов этих облучателей. Дальнейшая обработка (с использованием приемников, вычитателя и всегда имеющегося индикатора) позволила получить значение параметра когерентности - отношения мощностей регулярной и рассеянной компонент поля в месте приема.

Недостаток этого устройства появляется при наличии поперечной трассе составляющей скорости ветрового переноса рассеивателей (что часто имеет место), перемещения источника или самого измерителя. Возникающее при этом относительное доплеровское смещение спектров сигналов на выходах антенны с угловым разнесением ДН ([1], с.63-64) означает нарушение синфазности колебаний на входах суммарно-разностных преобразователей в [2]. Это приводит к появлению ошибок в оценке когерентности поля, вплоть до нарушения работоспособности измерителя, наступающей при функциональной смене выходов суммарно-разностных преобразователей, когда на суммарном выходе образуется разность, а на разностном - сумма колебаний.

Изобретение направлено на повышение точности оценки рассеивающих свойств среды распространения радиоволн. Уменьшение ошибки возможно в случае сканирования диаграммы направленности источника излучения.

С этой целью в измеритель ширины функции рассеяния среды, содержащий антенну с двумя разнесенными по углу в плоскости сканирования диаграммы направленности источника одинаковыми диаграммами направленности и с двумя выходами, два приемника, вычитатель и индикатор, введены: измеритель задержки огибающих пачек, измеритель угловой скорости сканирования диаграммы направленности источника, два умножителя, квадратор, делитель, вычислитель квадратного корня, клемма ввода значения ширины диаграмм направленности измерителя и клемма ввода значения углового разнесения. Причем каждый выход антенны через приемник соединен с соответствующим входом измерителя задержки огибающих пачек, выход которого подключен к входу первого умножителя, второй вход которого через измеритель угловой скорости сканирования диаграммы направленности источника соединен с выходом одного из приемников. Выход первого умножителя соединен с первым входом вычитателя и входом второго умножителя, второй вход которого через квадратор подключен к клемме ввода значения ширины диаграмм направленности измерителя. Клемма ввода значения углового разнесения соединена со вторым входом вычитателя, выход которого подключен к входу делителя, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя. Выход делителя через вычислитель квадратного корня подключен к индикатору.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема измерителя ширины функции рассеяния среды; на фиг.2 показан чертеж, изображающий (без соблюдения масштабов) геометрическую картину трассы распространения с рассеянием.

Измеритель ширины функции рассеяния среды (фиг.1) содержит антенну 1 с двумя выходами и с двумя разнесенными по углу в плоскости сканирования одинаковыми диаграммами направленности, два приемника 2, 3, измеритель 4 задержки огибающих пачек, измеритель 5 угловой скорости сканирования диаграммы направленности источника, первый 6 и второй 7 умножители, вычитатель 8, квадратор 9, делитель 10, вычислитель 11 квадратного корня, индикатор 12, клемму К1 ввода значения ширины диаграмм направленности измерителя и клемму К2 ввода значения углового разнесения.

На фиг. 2 позицией 1 обозначена диаграмма направленности сканирующего источника, позициями 2 и 3 обозначены соответственно первая и вторая разнесенные по углу в плоскости сканирования диаграммы направленности измерителя, позиция 4 - условное изображение функции рассеяния среды, позиция 5 - область рассеяния среды, позиция 6 - область рассеяния, определяемая диаграммой направленности сканирующего источника.

Для описания работы измерителя необходимо сделать некоторые аналитические пояснения.

На фиг.2 представлено обычно изображаемая геометрия трассы с рассеянием. Для часто используемой гауссовской аппроксимации ДН


где f_t(α_c;β) - сканирующая ДН источника (поз.1 фиг.2);
α_c - текущее значение угловой координаты, отсчитываемой от направления источник - измеритель (относительно линии АВ на фиг.2);
β - ориентация ДН источника (см. фиг.2);
θ_t - ширина ДН источника на уровне 3 дБ от максимума;
f₁₍₂₎(α_c;α₁₍₂₎) - разнесенные по углу ДН измерителя (фиг.2: поз.2. поз. 3);
α₁₍₂₎ - ориентация ДН измерителя относительно направления на источник;
θ - ширина ДН антенны измерителя.

В качестве функции рассеяния Ф(α_c) можно принять гауссовскую функцию по текущему значению угловой координаты α_c

где θ_p - ширина функции рассеяния (фиг. 2: поз.4) на уровне 3 дБ от максимума.

С точностью до несущественного в данном случае множителя, независимого от ориентации ДН измерителя и одинакового для обоих приемных каналов, амплитуды на выходах антенны (и приемников) пропорциональны

Сканирование ДН источника (т. е. изменение β) приводит к поперечному трассе перемещению области рассеяния поз. 6 (фиг.2) и как следствие - к формированию на выходах приемной антенны и выходах приемников 2 и 3 (фиг.1) двух несовпадающих по времени (и по углу β) огибающих пачек. Величина этого несовпадения - задержка огибающих пачек и является информативным параметром сигнала используемым для оценки ширины функции рассеяния среды (поз.4 фиг. 2).

Положения ДН источника в моменты формирования максимумов огибающих пачек β_m1(2) определяются из условий


Следовательно, угловая задержка огибающих пачек, измеряемая по несовпадению их максимумов,

где α_p = α₁-α₂ - известная величина углового разнесения ДН измерителя (см.фиг.2).

Отсюда и следует соотношение, используемое для оценки ширины функции рассеяния:
Равенство нулю задержки огибающих пачек (β_p = 0) вполне закономерно определяет и нулевое значение ширины функции рассеяния.

Практически, оценка угловой задержки огибающих пачек β_p определяется через измерение временной задержки τ и угловую скорость сканирования Ω (которую также надо измерять): β_p = τΩ. Поэтому окончательный вид формулы для оценки ширины функции рассеяния может быть следующим:

Измеритель ширины функции рассеяния среды (фиг.1) работает следующим образом. Колебания с выходов антенны 1, формирующей две одинаковые разнесенные по углу в плоскости сканирования ДН, усиливаются и детектируются в приемниках 2, 3 и поступают на входы измерителя 4 задержки огибающих пачек. Измеряемая здесь временная задержка пачек τ может быть оценена как по запаздыванию максимумов пачек, так и другими способами, например взаимно-корреляционным.

Для получения углового значения задержки β_p ее временное значение τ поступает на вход первого умножителя 6, где умножается на измеренное в измерителе 5 (например, по известному периоду обзора источника) значение угловой скорости сканирования ДН источника Ω, в результате чего на выходе первого умножителя и образуется значение задержки β_p = τΩ. Это значение поступает на вход вычитателя 8 и вход второго умножителя 7, на второй вход которого подается значение квадрата ширины ДН измерителя (θ²), образованное на выходе квадратора 9 по поступившему на его вход через клемму К2 значению ширины ДН измерителя θ. В результате на выходе второго умножителя формируется произведение τΩθ², поступающее на вход делителя.

На выходе вычитателя 8 по поданным на его первый вход значению β_p = τΩ и через клемму К2 значению углового разнесения ДН α_p формируется разность α_p-τΩ, поступающая на второй вход делителя 10. На выходе делителя 10 образуется частное , из которого после вычисления квадратного корня в 11 в соответствии с (1) формируется искомое значение ширины функции рассеяния среды θ_p, отображаемое на индикаторе 12.

Все элементы устройства и производимые ими операции не являются оригинальными, допускают достаточно многочисленные варианты их исполнения (изложенные в общеизвестных публикациях) и вследствие этого не нуждаются в специальном описании.

Таким образом, использование дополнительных элементов и их связей позволяет повысить точность оценки рассеивающих свойств среды путем измерения ширины ее функции рассеяния, во-первых, за счет индифферентности результата измерений от степени направленности антенны источника. Во-вторых, посредством исключения когерентной обработки сигнала, позволившей избежать влияния относительного доплеровского смещения спектров сигналов на процесс измерения и исключить, таким образом, возможность нарушения работоспособности измерителя.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Шарыгин Г. С. Статистическая структура поля УКВ за горизонтом. М.: Радио и связь, 1983, с.102-105.

2. А.с. СССР, 1561051, заявл. 29.02.88. Устройство для определения параметра когерентности. Авт. И.В. Денисова, С.Л. Капарулин, А.В. Лопатин, В.Д. Плахотников. Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (прототип).

Изобретение относится к технике диагноза и мониторинга рассеивающих свойств среды распространения радиоволн при бистатической локации. Техническим результатом изобретения является исключение когерентной обработки сигнала, а также повышение точности оценки рассеивающих свойств среды. Этот результат достигается тем, что в измеритель ширины функции рассеяния среды, содержащий антенну с двумя разнесенными по углу в плоскости сканирования диаграммы направленности источника одинаковыми диаграммами направленности и с двумя выходами, два приемника, вычитатель и индикатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены измеритель задержки огибающих пачек, измеритель угловой скорости сканирования диаграммы направленности источника, два умножителя, квадратор, делитель, вычислитель квадратного корня, клемма ввода значения ширины диаграмм направленности измерителя и клемма ввода значения углового разнесения. 2 ил.

Измеритель ширины функции рассеяния среды, содержащий антенну с двумя разнесенными по углу в плоскости сканирования диаграммы направленности источника одинаковыми диаграммами направленности и с двумя выходами, два приемника, вычитатель и индикатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены измеритель задержки огибающих пачек, измеритель угловой скорости сканирования диаграммы направленности источника, два умножителя, квадратор, делитель, вычислитель квадратного корня, клемма ввода значения ширины диаграмм направленности измерителя и клемма ввода значения углового разнесения, причем каждый выход антенны через приемник соединен с соответствующим входом измерителя задержки огибающих пачек, выход которого подключен ко входу первого умножителя, второй вход которого через измеритель угловой скорости сканирования диаграммы направленности источника соединен с выходом одного из приемников, выход первого умножителя соединен с первым входом вычитателя и входом второго умножителя, второй вход которого через квадратор подключен к клемме ввода значения ширины диаграмм направленности измерителя, клемма ввода значения углового разнесения соединена со вторым входом вычитателя, выход которого подключен к входу делителя, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя, выход делителя через вычислитель квадратного корня подключен к индикатору.