РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ПАЧКИ ВЗАИМНО КОГЕРЕНТНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ Российский патент 2008 года по МПК H03K5/19 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в локации в качестве обнаружителя пачки взаимно когерентных радиоимпульсов.

Известны оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов, максимизирующие отношение сигнал/шум на их выходах, в частности рециркуляционные накопители, в которых период циркуляций задается равным периоду следования радиоимпульсов в их исходной пачке. Известно использование линий задержки на поверхностных акустических волнах, в том числе дисперсионных линий задержки, применительно к решению различных технических задач [1-10].

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является рециркуляционный накопитель пачки взаимно когерентных радиоимпульсов, известный из книги Ю.С.Лезина, Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов, М., Сов. радио, 1969, стр.256-286, рис.7.1.1. Этот накопитель содержит последовательно включенные входное устройство, сумматор с двумя входами, линию задержки и усилитель обратной связи, выход которого соединен со вторым входом сумматора с двумя входами.

Недостатком известного устройства является сложность обеспечения высокой обнаружительной способности, связанная с необходимостью обеспечения запаса устойчивости рециркулятора при повышении коэффициента обратной связи, при выборе этого коэффициента, близкого к единице.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является повышение обнаружительной способности накопителя без ухудшения его устойчивости.

Данная техническая задача достигается в устройстве, содержащем последовательно соединенные входное устройство, сумматор с двумя входами, линию задержки, усилитель обратной связи, выходом включенный к второму входу сумматора с двумя входами, отличающемся тем, что в него введены последовательно соединенные компенсирующий усилитель и полосовой фильтр, линия задержки состоит из входного, промежуточного и выходного встречно-штыревых преобразователей на звукопроводящей подложке, причем длительность взаимодействия цуга волн в выходном встречно-штыревом преобразователе выбрана в несколько единиц или десятков раз больше задержки сигнала между входным и промежуточным встречно-штыревыми преобразователями, встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде непрерывной монопериодической структуры, согласованной с несущей частотой принимаемых радиоимпульсов, и подключен к входу компенсирующего усилителя, а полоса пропускания в полосовом фильтре выбрана соизмеримой с обратной величиной длительности радиоимпульсного сигнала, формируемого в выходном встречно-штыревом преобразователе.

Достижение поставленной задачи объясняется дополнительным накоплением в протяженной структуре выходного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и узкополосной фильтрацией когерентно расширенного по длительности радиоимпульсного отклика с линии задержки заявляемой конструкции при оптимальном выборе передаточной функции рециркуляционной цепи.

Изобретение понятно из представленных чертежей.

На фиг.1 изображена блок-схема заявляемого устройства, состоящая из последовательно соединенных входного устройства 1, сумматора с двумя входами 2, линии задержки 3 с входным 4, промежуточным 5 и выходным 6 ВШП, компенсирующего усилителя 7 и полосового фильтра 8, а также из включенного между промежуточным ВШП и вторым входом сумматора с двумя входами усилителя обратной связи 9.

На фиг.2 дана диаграмма процесса накопления сигнала в выходном ВШП с длительным взаимодействием цуга волн.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Пусть на входное устройство 1 воздействует пачка из p взаимно когерентных радиоимпульсов длительностью τ_и с периодом их повторения в пачке Т (длительность пачки pT). Полная временная задержка в рециркуляционной цепи из последовательно соединенных сумматора с двумя входами 2, линии задержки 3 между ее входным 4 и промежуточным 5 ВШП и усилителя обратной связи 9 выбрана равной периоду следования Т радиоимпульсов в пачке. Этот узел работает как известный рециркуляционный накопитель. При этом экспоненциально возрастающая амплитуда радиоимпульса, накапливаемого в рециркуляционной цепи, поступает в линии задержки 3 к выходному ВШП 6, в пределах которого укладывается N радиоимпульсов, и это число N определяется длиной выходного ВШП L_вых и скоростью v распространения поверхностной акустической волны в звукопроводе линии задержки 3, так что L_вых=vNT. Конструкция выходного ВШП 6 выбрана согласованной с несущей частотой f₀ радиоимпульсов - шаг между смежными электродами этого ВШП выбран по условию когерентного накопления d=v/2f₀. Поэтому дополнительное N-кратное когерентное накопление сигнала обеспечивается в выходном ВШП 6, при котором пачка радиоимпульсов преобразуется в единый более длинный радиоимпульс, который после его усиления в компенсирующем усилителе 7 (компенсирующем потери сигнала в линии задержки 3) подвергается сглаживанию в полосовом фильтре 8 с полосой пропускания Δf_Ф, согласованной с задержкой сигнала в выходном ВШП 6 NT, то есть при Δf_Ф≈1/NT. Коэффициент передачи K₀ в рециркуляционной цепи выбирается близким к единице (порядка 0,96...0,98), так что постоянная времени рециркулятора τ_P обеспечивает необходимое накопление в нем радиоимпульсного сигнала, причем τ_P=K₀T/(1-K₀).

Нетрудно показать, что в результате работы рециркуляционной цепи амплитуда радиоимпульса на его выходе A_P при приеме p входных радиоимпульсов по сравнению с их амплитудами A₀ на входе рециркулятора, поступающими с входного устройства 1, вырастает до величины

Цуг волн с амплитудой A_р поступает к выходному ВШП 6, где когерентно накапливается. Процесс нарастания амплитуды радиоимпульсов на выходе рециркуляционной цепи во времени происходит согласно выражению (1), где j - текущий индекс суммирования j=1, 2, 3, ... p, и при j=p достигается амплитуда, указанная в (1). После окончания пачки радиоимпульсов, поступающих с входного устройства 1, амплитуда радиоимпульсов A_m, на выходе рециркулятора начинает медленно уменьшаться по экспоненциальному закону A_m=А_Pехр[-(m-p)(1-K₀)/K₀], где m=p+1, p+2, p+3, ..., как это видно из представленной на фиг.2 диаграммы. Шаг рециркуляции m>p в этом выражении тождественен текущему времени t_m, отсчитываемому после окончания действия пачки радиоимпульсов размером в p радиоимпульсов.

Пусть дисперсия шума на первом входе сумматора с двумя входами 2 в условиях стационарного гауссова шума равна σ_ш ²=G/2τ_и, где G - приведенная к этому входу спектральная плотность шума, определяемая шумовыми характеристиками входного устройства 1. Тогда на входном ВШП 4 результирующая дисперсия шума находится из выражения

Из (1) и (2) видно, что отношение сигнал/шум на входе линии задержки 3 при максимальной амплитуде радиоимпульса равно

при работе на эквивалент нагрузки 1 Ом. При работе на произвольную нагрузку удобнее пользоваться мощностью входного сигнала в пачке радиоимпульсов, при этом (3) можно записать в виде

где μ₀=2Е/G=2τ_иP_вх/G - максимально возможное отношение сигнал/шум на входе согласованного фильтра, определяемое энергией Е принятого сигнала с его входной мощностью Р_вх.

Для формирования достаточно длинного во времени радиоимпульсного отклика в выходном ВШП 6 линии задержки 3 целесообразно использовать рециркулятор с увеличенной постоянной времени τ_P=K₀Т/(1-K₀), однако при этом несколько снижается величина μ_{max вх}, как это следует из (4), и, следовательно, оптимизация отношения сигнал/шум на выходе линии задержки 3 достигается при определенном выборе коэффициента обратной связи K₀ в рециркуляционной цепи в зависимости от числа p радиоимпульсов в пачке, и, кроме того, этот выбор также определяется значением N, то есть длительностью NT взаимодействия цуга волн в выходном ВШП 6 применяемой линии задержки 3, что свидетельствует о неразрывной совокупности известных и вновь вводимых признаков заявляемого технического решения.

Действительно, наибольший отклик на выходе линии задержки 3 достигается, когда цуг волн с амплитудой А_P согласно (1) достигает конца выходного ВШП 6, и при этом в рабочей длине L_вых ВШП 6 одновременно находятся цуги последующих откликов рециркулятора, амплитуды которых A_m экспоненциально уменьшаются из-за окончания действия радиоимпульсов пачки, и все эти цуги индуцируют в соответствующих элементах выходного ВШП 6 электрический сигнал-отклик, повышая его энергетику.

Максимум амплитуды А_{вых max} радиоимпульса на выходе компенсирующего усилителя 4, восполняющего потери сигнала в линии задержки 3, определяется соотношением

где j=p, p+1, p+2, ... p+N-1, то есть когерентно суммируются N цугов волн в выходном ВШП 6 в момент времени t_N=NT+Δt_зад, где начальная задержка Δt_зад, обусловленная прохождением цуга волн между входным ВШП 4 и началом выходного ВШП 6 в линии задержки 3, выбирается достаточно произвольно, например равной ≥2Т.

Рассмотрим прохождение шума на выход линии задержки 3 с учетом длительного взаимодействия ее выходного ВШП 6 с действующим в нем сигналом. Полагаем полосу шума соответствующей полосе пропускания входного устройства 1 ΔF_вх=1/τ_и, следовательно, время корреляции шума оценивается величиной τ_и. Тогда сложение шумовых компонент в выходном ВШП 6 - есть суперпозиция n статистически независимых источников шума, где n=NT/τ_и=qN, где q - скважность радиоимпульсов в пачке, и дисперсия шума на выходе линии задержки 3 будет равна

Полагая полосу пропускания полосового фильтра 8 равной Δf_Ф≈1/NT, замечаем, что отношение ΔF_вх/Δf_Ф=n, и тогда на выходе полосового фильтра 8 дисперсия шума будет равна

Сравнивая (6) и (7), приходим к выводу об инвариантности дисперсии шума на выходе полосового фильтра 8 по отношению к длительности взаимодействия NT цугов волн в выходном ВШП 6. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум W_{вых max} на выходе полосового фильтра 8 по сравнению отношением сигнал/шум на входе линии задержки 3 с учетом (5) равен

Из (8) следует, что величина выигрыша W_{вых max} не зависит от числа импульсов p в пачке и определяется лишь параметрами N и K₀ существенно возрастая с ростом этих чисел. Это способствует увеличению обнаружительной способности устройства.

В таблице 1 приведены расчетные данные указанного выигрыша для различных значений числа N и коэффициента обратной связи в рециркуляторе K₀.

Таблица 1Коэфф. обр. связи K₀N=5N=7N=9N=11N=13N=150,994,9006,7928,64610,46412,24413,9890,9854,8516,6908,47510,20511,88413,5120,984,8026,5908,3069,95411,53513,0540,9754,7536,4908,1409,70811,19812,6120,974,7056,3927,9789,46910,87112,1880,9654.6566,2957,8199,23610,55411,7800,964,6086,1997,6629,00910,24811,3880,9554,5606,1047,5098,7889,96111,0100,954,5136,0117,3598,5729,66510,6480,9454,4665,9187,2128,3629,38710,2990,944,4195,8277,0678,1589,1199,9640,9354,3725,7376.9257,9598.8599,6420,934,3265,6496,7877,7668,6089,3320,9254,2795,5616,6517,5778,3659,0350.924,2345,4756,5177,3948,1308,7490,9154,1885,3896,3877,2157,9038,4740,914,1435,3056,2597,0417,6848,2100,9054,0985,2226,1346,8727,4717,9570,904,0535,1406,0116,7087,2667,713

Рассмотрим пример реализации устройства для входных сигналов с параметрами: длительность радиоимпульсов τ_и=0,1 мкс с периодом их следования в пачке из p=20 импульсов, равным Т=1 мкс, с несущей частотой радиоимпульсов f₀=60 МГц. Тогда полоса пропускания входного устройства должна быть равна ΔF_вх=10 МГц. Исходя из требования обеспечения достаточной устойчивости системы, выбираем коэффициент обратной связи в рециркуляционной цепи равным К₀=0,985, тогда величина А_Р в результате накопления 20 импульсов пачки достигнет А_Р=17,4, и эта часть волнового цуга, поступающего на входной ВШП линии задержки, имеет длительность около 6 мкс от уровня 0,707 А_Р. После окончания пачки амплитуда радиоимпульсов за счет продолжающегося действия рециркулятора экспоненциально убывает на входе линии задержки с постоянной времени τ_Р=К₀Т/(1-К₀)=65,7 мкс и уменьшится до уровня 0,707А_Р за время 23 мкс. Общая длина цуга полученного радиоимпульса будет при этом 6+23=29 мкс по уровню 0,707 А_Р. Это означает, что величина N=29. Длина выходного ВШП 6 при скорости акустической волны v=3,16 мм/мкс (для пьезокварца) составит L_вых=92 мм, а общая длина линии задержки не превзойдет 95 мм. Шаг в ВШП d=26,3 мкм. Полоса пропускания в полосовом фильтре выбирается равной Δf_Ф=35 кГц. Применение такого устройства дает выигрыш в отношении сигнал/шум в W_выхmax=23,6 раза (˜27,5 дБ) по сравнению с рециркуляционным накопителем известной конструкции (прототипом).

Заявляемое техническое устройство предназначено для обнаружения пачки взаимно когерентных радиоимпульсов в широком ассортименте радиотехнических устройств (локаторов, систем связи, телеметрии и т.д.). Выпускаемые в настоящее время линии задержки на ультразвуковых поверхностных волнах позволяют работать в диапазоне частот до нескольких сотен мегагерц и даже до 2 ГГц с полосой пропускания до 20-40% от несущей частоты при высокой точности расположения на звуконосителе (специальные срезы кварца, арсенида галлия и др.) элементов ВШП и с малой зависимостью параметров линии от температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.И.Тверской. Дисперсионно-временные методы измерений спектров радиосигналов, М., Сов. радио, 1974.

2. С.С.Каринский. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М., Сов. радио, 1975.

3. А.А.Джек, П.М.Грант, Дж.Х.Коллинз. Теория проектирования и применения Фурье-процессоров на поверхностных акустических волнах, ТИИЭР, т.68, №4, стр.22-43, 1980.

4. О.Ф.Меньших. Устройство для анализа спектра сигналов. Патент РФ №2040798.

5. О.Ф.Меньших. Обнаружитель моноимпульсного сигнала. Патент РФ №2046370.

6. О.Ф.Меньших. Обнаружитель лазерного доплеровского локатора. Патент РФ №1805756.

7. О.Ф.Меньших. Согласованный фильтр. Патенты РФ №2016493 и №2016494.

8. О.Ф.Меньших. Устройство для анализа спектра сигналов. Патент РФ №2040798.

9. О.Ф.Меньших. Обнаружитель моноимпульсного радиосигнала. Патент РФ №2046370.

10. О.Ф.Меньших. Ультразвуковой микроскоп. Патент РФ №2270997 за 2005 год.

Устройство предназначено для обнаружения пачки взаимно когерентных импульсов. Содержит входной блок, подключенный к первому входу сумматора. Второй вход сумматора подключен к выходу усилителя обратной связи. Новизна заключается во введении компенсирующего усилителя и полосового фильтра. Вход усилителя соединен с выходом линии задержки, а выход усилителя - со входом полосового фильтра. Линия задержки состоит из входного, промежуточного и выходного встречно-штыревых преобразователей на звукопроводящей подложке. Длительность взаимодействия цуга волн в выходном встречно-штыревом преобразователе выбрана в несколько единиц или десятков раз больше задержки сигнала между входным и промежуточным встречно-штыревыми преобразователями, выходной встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде непрерывной монопериодической структуры, согласованной с несущей частотой принимаемых радиоимпульсов, и подключен к входу компенсирующего усилителя. Полоса пропускания в полосовом фильтре выбрана соизмеримой с обратной величиной длительности радиоимпульсного сигнала, формируемого в выходном встречно-штыревом преобразователе. Технический результат заключается в повышении обнаружительной способности накопителя без ухудшения его устойчивости. 2 ил.

Рециркуляционный накопитель пачки взаимно когерентных радиоимпульсов, содержащий последовательно соединенные входное устройство, сумматор с двумя входами, линию задержки, усилитель обратной связи, выходом подключенный ко второму входу сумматора с двумя входами, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные компенсирующий усилитель и полосовой фильтр, линия задержки состоит из входного, промежуточного и выходного встречно-штыревых преобразователей на звукопроводящей подложке, причем длительность взаимодействия цуга волн в выходном встречно-штыревом преобразователе выбрана в несколько единиц или десятков раз больше задержки сигнала между входным и промежуточным встречно-штыревыми преобразователями, выходной встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде непрерывной монопериодической структуры, согласованной с несущей частотой принимаемых радиоимпульсов, и подключен к входу компенсирующего усилителя, а полоса пропускания в полосовом фильтре выбрана соизмеримой с обратной величиной длительности радиоимпульсного сигнала, формируемого в выходном встречно-штыревом преобразователе.