УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ШИРИНЫ ФУНКЦИИ РАССЕЯНИЯ СРЕДЫ Российский патент 2003 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 зондирующего источника излучения радиоволн со сканирующей диаграммой направленности.

Рассматриваемая ситуация характеризуется расположением зондирующего сканирующего 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]. Использование в [1] в качестве информативного параметра величины задержки (несовпадения) огибающих пачек связано с ошибками, обусловленными возможной нестабильностью угловой скорости сканирования диаграммы направленности (ДН) источника (что практически всегда имеет место). Общими для [1] и [2] недостатками является то, что, во-первых, кроме зависимости от состояния трассы распространения, значение параметра когерентности в месте приема определяется и шириной ДН источника излучения, что не учитывается в [1, 2] и приводит к ошибке при оценке рассеивающих свойств среды. Во-вторых, и в [1], и в [2] необходима точная ориентация разнесенных по углу ДН относительно направления на источник, что не всегда выполнимо. В первом случае на источник должен быть ориентирован максимум одной из ДН, во втором источник должен находиться точно в равносигнальном направлении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению следует считать "Устройство для определения параметра когерентности" [2] . Получение положительного эффекта в этом устройстве достигается за счет формирования двух разнесенных по углу 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 сигнала с использованием двух логарифмических приемников, вычитателя (и всегда имеющегося индикатора) позволила получить значение параметра когерентности - отношение мощностей регулярной и рассеянной компонент поля в месте приема.

Дополнительный (кроме уже указанных) недостаток устройства [2] появляется при наличии на поперечной трассе составляющей скорости ветрового переноса рассеивателей (что часто имеет место), перемещении 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 устройства [2], 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 оказалось возможным в случае сканирования диаграммы направленности источника излучения.

С этой целью в устройстве для измерения ширины функции рассеяния среды, содержащем антенну с первой и второй разнесенными по углу одинаковыми ДН и с двумя выходами, два логарифмических приемника, вычитатель и индикатор, антенна выполнена с третьей такой же ДН симметрично отвернутой относительно второй - средней ДН на величину углового разнесения и с третьим выходом. Кроме того, введены третий логарифмический приемник, три измерителя амплитуд максимумов огибающих пачек, три вычитателя, два квадратора, делитель, вычислитель квадратного корня, клемма ввода значения ширины ДН измерителя и клемма ввода значения углового разнесения. Причем каждый выход антенны подключен к последовательно соединенным логарифмическому приемнику и измерителю амплитуд максимумов огибающих пачек. Первый и второй входы первого вычитателя подключены к выходам соответственно первого и второго измерителей амплитуд максимумов огибающих пачек. Первый и второй входы второго вычитателя подключены к выходам соответственно второго и третьего измерителей амплитуд максимумов огибающих пачек. Выходы первого и второго вычитателей соединены со входами третьего вычитателя, выход которого подключен к входу делителя. Клемма ввода значения углового разнесения через второй квадратор соединена со вторым входом делителя, выход которого подключен к входу четвертого вычитателя. Клемма ввода значения ширины ДН через первый квадратор подключена к второму входу четвертого вычитателя, выход которого через вычислитель квадратного корня соединен с индикатором.

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

Устройство для измерения ширины функции рассеяния среды (фиг.1) содержит антенну 1 с тремя выходами и с тремя разнесенными по углу одинаковыми диаграммами направленности, первый 2, второй 3 и третий 4 логарифмические приемники, первый 5, второй 6 и третий 7 измерители амплитуд максимумов огибающих пачек, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 вычитатели, первый 12 и второй 13 квадраторы, делитель 14, вычислитель 15 квадратного корня, индикатор 16, клемму К1 ввода значения углового разнесения и клемму К2 ввода значения ширины диаграмм направленности.

На фиг. 2 позицией 17 обозначена диаграмма направленности сканирующего источника, позициями 18, 19 и 20 обозначены соответственно первая, вторая и третья разнесенные по углу диаграммы направленности устройства для измерения ширины функции рассеяния среды, позиция 21 - условное изображение функции рассеяния среды, позиция 22 - область рассеяния среды, позиция 23 - область рассеяния, определяемая диаграммой направленности сканирующего источника.

Для описания работы устройства для измерения ширины функции рассеяния среды необходимо сделать некоторые аналитические пояснения.

На фиг. 2 представлена геометрия трассы с рассеянием. Для часто используемой гауссовской аппроксимации ДН
f_t(α_c; β) = exp{-2(ln2)(α_c-β)²/θ2t

},

где f_t(α_c; β) - сканирующая ДН источника (фиг.2: поз.1);
α_c - текущее значение угловой координаты, отсчитываемой от направления источник - измеритель (относительно линии АВ на фиг.2);
β - ориентация диаграммы направленности источника (см. фиг.2);
θ_t - ширина ДН источника на уровне 3 дБ от максимума;
f_1(2,3)(α_c; α_1(2,3)) - разнесенные по углу ДН устройства для измерения ширины функции рассеяния среды (фиг.2: поз. 2, поз. 3);
α_1(2,3) - ориентация ДН устройства для измерения ширины функции рассеяния среды относительно направления на источник;
θ - ширина каждой диаграммы направленности устройства для измерения ширины функции рассеяния среды.

В качестве функции рассеяния Ф(α_c) можно принять гауссовскую функцию по текущему значению угловой координаты α_c
Ф(α_c) = exp{-4(ln2)α2c

/θ2p},
где θ_p - ширина функции рассеяния (фиг.2: поз. 21) на уровне 3 дБ от максимума.

С точностью до несущественного в данном случае множителя, независимого от ориентации ДН источника и устройства для измерения ширины функции рассеяния среды и одинакового для всех приемных каналов, амплитуды на выходах антенны пропорциональны

Выполняя (с коэффициентом 20) логарифмирование (1), найдем выраженные в дБ значения амплитуд на выходах логарифмических приемников

Сканирование ДН источника (т.е. изменение β) с некоторой, не обязательно стабильной угловой скоростью Ω (см. фиг.2) приводит к поперечному трассе перемещению области рассеяния поз.22 (фиг.2) и, как следствие, - к формированию на выходах приемной антенны и выходах приемников 2, 3 и 4 (фиг.1) трех несовпадающих (за счет рассеяния) по времени (и по углу β) огибающих пачек. При этом угловые положения ДН источника β_m1(2,3) в моменты формирования максимумов огибающих пачек определяются из условий
dU_1(2,3)(β, α_1(2,3))/dβ = 0:
β_m1(2,3) = α_1(2,3)θ2p

/(θ2p+θ²). (3)
Используя (3) вместо β в (2), получим значения амплитуд максимумов огибающих пачек, формируемые на выходах измерителей амплитуд максимумов огибающих пачек
U_m1(2,3) = -24α21(2,3)/(θ2p+θ²). (4)
Разности амплитуд максимумов огибающих пачек
ΔU_m1,2 = U_m1-U_m2 = 12α_p(-α₁-α₂)/(θ²+θ2p), (5)
ΔU_m2,3 = U_m2-U_m3 = 12α_p(-α₂-α₃)/(θ²+θ2p), (6)
где α_p = α₁-α₂ = α₂-α₃ - известная величина углового разнесения ДН измерителя (см. фиг.2).

Из разностей (5) и (6) следует результирующее выражение, используемое для оценки ширины функции рассеяния:

Устройство для измерения ширины функции рассеяния среды (фиг.1) работает следующим образом. Сигналы с выходов антенны 1, формирующей три одинаковые, разнесенные по углу ДН, усиливаются, логарифмируются и детектируются в логарифмических приемниках 2, 3, 4. Образующаяся в соответствии с (2) их выходная амплитуда U_1(2,3) поступает далее на входы измерителей 5, 6, 7 амплитуд максимумов огибающих пачек, в результате чего на их выходах в соответствии с (4) формируются значения амплитуды U_m1(2,3). Поступая на входы первого вычитателя 8, амплитуды U_m1(2) образуют на его выходе разностное значение (5) ΔU_m1,2 = U_m1-U_m2, а поступающие на входы второго вычитателя амплитуды (6) U_m2(3) образуют на его выходе разностное значение ΔU_m1,2 = U_m2-U_m3. Формирующиеся на выходах первого и второго вычитателей значения разностей подаются на входы третьего вычитателя 10, в результате чего на его выходе образуется разность ΔU_m2,3-ΔU_m1,2, поступающая на вход делителя 14.

Поданное через клемму К1 значение углового разнесения возводится во втором квадраторе 13 в квадрат и с коэффициентом, равным 24, поступает на второй вход делителя, где делится на разность ΔU_m2,3-ΔU_m1,2, образуя на выходе делителя 14 и входе четвертого вычитателя 11 частное 24α2p

/(ΔU_m2,3-ΔU_m1,2). Поступившее через клемму К2 значение ширины ДН возводится в первом квадраторе 12 в квадрат, значение которого вычитается из частного 24α2p/(ΔU_m2,3-ΔU_m1,2)-θ² в четвертом вычитателе 11 и в качестве подкоренного выражения поступает на вход вычислителя 15 квадратного корня. На выходе вычислителя 15 квадратного корня в соответствии с (7) формируется значение ширины функции рассеяния среды, отображаемое на индикаторе 16.

Все элементы устройства для измерения ширины функции рассеяния среды 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.

Использование дополнительных элементов и их связей позволяет избежать необходимости точной ориентации антенны устройства относительно направления на источник и повысить точность оценки рассеивающих свойств среды, во-первых, за счет индифферентности результата измерений от степени направленности антенны источника и, во-вторых, посредством отказа от когерентной обработки сигнала, позволившего устранить влияние относительного доплеровского смещения спектров сигналов на процесс измерения и исключить таким образом возможность нарушения работоспособности устройства.

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 точной ориентации антенны устройства на источник, а также повышение точности оценки рассеивающих свойств среды. Этот результат достигается тем, что в устройство для измерения ширины функции рассеяния среды, содержащее антенну с первой и второй разнесенными по углу диаграммами направленности и с двумя выходами, два логарифмических приемника, вычитатель и индикатор, дополнительно введена антенна, выполнена с третьей такой же диаграммой направленности симметрично отвернутой относительно второй - средней диаграммы направленности на величину углового разнесения и с третьим выходом, а также введены третий логарифмический приемник, три измерителя амплитуд максимумов огибающих пачек, три вычитателя, два квадратора, делитель, вычислитель квадратного корня, клемма ввода значения ширины диаграмм направленности и клемма ввода значения углового разнесения. 2 ил.

Устройство для измерения ширины функции рассеяния среды, содержащее антенну с первой и второй разнесенными по углу диаграммами направленности и с двумя выходами, два логарифмических приемника, вычитатель и индикатор, отличающееся тем, что антенна выполнена с третьей такой же диаграммой направленности симметрично отвернутой относительно второй - средней - диаграммы направленности на величину углового разнесения и с третьим выходом, а также введены третий логарифмический приемник, три измерителя амплитуд максимумов огибающих пачек, три вычитателя, два квадратора, делитель, вычислитель квадратного корня, клемма ввода значения ширины диаграмм направленности и клемма ввода значения углового разнесения, причем каждый выход антенны подключен к последовательно соединенным логарифмическому приемнику и измерителю амплитуд максимумов огибающих пачек, первый и второй входы первого вычитателя подключены к выходам соответственно первого и второго измерителей амплитуд максимумов огибающих пачек, выходы первого и второго вычитателей соединены с входами третьего вычитателя, выход которого подключен к входу делителя, клемма ввода значения углового разнесения через второй квадратор соединена с вторым входом делителя, выход которого подключен к входу четвертого вычитателя, клемма ввода значения ширины диаграмм направленности через первый квадратор подключена к второму входу четвертого вычитателя, выход которого через вычислитель квадратного корня соединен с индикатором.