СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ НЕВЗАИМНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2011 года по МПК G01G13/02 

Изобретения относятся к радиолокации и могут быть использованы в устройствах селекции целей по поляризационным свойствам отраженного сигнала, содержащего информацию о поляризационной анизотропии отражающего объекта.

Основной технической задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является возможность селекции целей с невзаимными свойствами обратного рассеяния радиоволн.

Поставленная задача достигается тем, что в способе селекции радиолокационных объектов, основанном на облучении объектов волной с несущей частотой ω₀, описываемой в ортогональном поляризационном базисе облучения вектором е₀(t), приеме в поляризационном базисе облучения отраженной волны e_p(t), формировании двух комплексных величин U₁, U₂, модули и фазы которых пропорциональны модулям и аргументам элементов M₁₂, М₂₁ соответственно, матрицы взаимной когерентности M_i излученной е₀(t) и отраженной e_p(t) электромагнитных волн, формировании разностного сигнала ΔU как модуля разности величин U₁ и U₂ в соответствии с выражением ΔU=|U₁-U₂|, в качестве выходного сигнала принимают разностный сигнал ΔU, а матрицу M_i определяют по формуле

где и - функции, описывающие ортогональные по поляризации составляющие облучающей волны

причем амплитуда, ширина спектра и длительность этих функций идентичны, а нормированный коэффициент взаимной корреляции функций и для всех возможных временных и частотных сдвигов существенно меньше единицы;

и - сигналы, описывающие ортогональные по поляризации составляющие отраженной волны

τ_i - время задержки отраженной от объекта волны e_p(t) относительно момента излучения облучающей волны e₀(t);

« » - знак усреднения на интервале длительности функций (сигналов) и ;

* - знак комплексного сопряжения;

† - знак эрмитового сопряжения.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве селекции радиолокационных объектов, содержащем приемо-передающую антенну полного поляризационного приема-передачи сигнала, ортогональные питающие фидеры которой соединены с первыми входами первого и второго циркуляторов соответственно, вторые входы первого и второго циркуляторов соединены с выходами первого и второго усилителя мощности соответственно, входы которых соединены с выходами первого и второго формирователей сложных сигналов соответственно, первые входы первого и второго формирователей сложных сигналов соединены с первым выходом генератора опорных частот, третьи выходы первого и второго циркуляторов соединены с входами первого и второго малошумящих усилителей соответственно, выходы первого и второго малошумящих усилителей соединены с входами первого и второго преобразователей частоты соответственно, входы преобразователей частоты соединены со вторым выходом генератора опорных частот, выходы первого и второго преобразователей частоты соединены с входами первого и второго согласованных фильтров соответственно, выходы первого и второго согласованных фильтров соединены с входами вычитающего устройства соответственно, выход вычитающего устройства соединен с входом детектора огибающей радиосигнала, вторые входы формирователей сложных сигналов соединены с выходом синхронизирующего генератора.

Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, следовательно, данная группа изобретений удовлетворяет требованию единства изобретений.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство селекции радиолокационных объектов содержит приемо-передающую антенну 1 полного поляризационного приема-передачи сигнала, ортогональные питающие фидеры которого соединены с первыми входами первого циркулятора 2 и второго циркулятора 3 соответственно, вторые входы первого и второго циркуляторов 2 и 3 соединены с выходами первого и второго усилителя мощности (УМ) 4 и 5 соответственно, а входы первого и второго усилителей мощности 4 и 5 соединены с выходами первого формирователя сложных сигналов (Ф₁) 6 и второго формирователя сложных сигналов (Ф₂) 7 соответственно, первые входы первого и второго формирователей сложных сигналов 6 и 7 соединены с первым выходом генератора опорных частот (ГОЧ) 10, третьи выходы первого и второго циркуляторов 2 и 3 соединены с входами первого и второго малошумящих усилителей 8 и 9 соответственно, выходы первого и второго малошумящих усилителей 8 и 9 соединены с входами первого опорного сигнала преобразователей частоты (ПЧ_х) 11 и второго опорного сигнала преобразователя частоты (ПЧ_у) 12 соответственно, входы первого опорного сигнала преобразователя частоты 11 и опорного сигнала второго преобразователя частоты 12 соединены со вторым выходом генератора опорных частот 10, выходы опорного сигнала первого преобразователя частоты 11 и второго опорного сигнала преобразователя частоты 12 соединены с входами второго согласованного фильтра 13 (СФ₂) и первого согласованного фильтра 9 (СФ₁) 14 соответственно, выходы первого и второго согласованных фильтров 13 и 14 соединены с входами вычитающего устройства 15 соответственно, выход вычитающего устройства 15 соединен с входом детектора огибающей радиосигнала 16, вторые входы первого и второго формирователей сложных сигналов 6 и 7 соединены с выходом синхронизирующего генератора 17, при этом первый согласованный фильтр 14 согласован с сигналом первого формирователя сложных сигналов 6, а второй согласованный фильтр 13 согласован с сигналом второго формирователя сложных сигналов 7.

Антенна 1 полного поляризационного приема-передачи сигнала образована, например, параболическим зеркалом с симметричным облучателем в виде круглого рупора, питание которого осуществляется с помощью поляризационного разделителя ПР. Первый и второй формирователи 6 и 7 ортогональных сигналов S₁(t) и S₂(t), выполнены по технологии (Tektronix AWG610 Arbitrary Waveform Generator User Manual. Tectronix, 1998), также первый и второй формирователи 6 и 7 могут быть реализованы с использованием современной технологии генерирования сложных радиосигналов произвольной формы, подобно тому, как это реализуется в известных, серийно выпускаемых приборах, например в генераторе (Tektronix AWG610 Arbitrary Waveform Generator User Manual. Tectronix, 1998). Генератор опорных частот (ГОЧ) 10, первый и второй согласованные фильтры 13 и 14, согласованные с сигналами и соответственно, преобразованными на промежуточную частоту, выполнены, например, по технологии устройств, использующих поверхностные акустические волны (ПАВ) (Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 416 с.).

Устройство работает следующим образом. Первый и второй формирователи сложных сигналов 6 и 7 одновременно, по импульсному запускающему сигналу синхронизирующего генератора 17 формируют на несущей частоте ω₀ два узкополосных радиосигнала

Амплитуды, ширина спектра и длительности этих сигналов идентичны, а их комплексные огибающие и имеют малый коэффициент взаимной корреляции и описываются комплексными функциями времени:

где φ₁(t), φ₂(t) - функции, описывающие законы изменения фазы несущих колебаний сигналов и , соответственно;

P(t) - прямоугольная действительная функция, определяющая форму «мощностной» огибающей сигналов и , описываемая выражением

τ_u - длительность сигналов и ;

t₀ - момент начала излучения сигналов и .

Основным требованием к сигналам и является их малая взаимная корреляция для всех возможных на практике временных и частотных сдвигов, а также идентичная форма их автокорреляционных функций (АКФ). Взаимная корреляционная функция сигналов и , нормированная к их полной мощности, определяется соотношением

где τ и Ω - параметры взаимного временного и частотного сдвигов соответственно. Функция (4) определяет нормированный коэффициент взаимной корреляции сигналов для всех возможных значений сдвига по времени и по частоте. Для малой взаимной корреляции сигналов и необходимо, чтобы абсолютные значения функции B₁₂(τ,Ω) были значительно меньше единицы:

Такими свойствами обладают, например, два радиосигнала постоянной мощности и равной длительности, частоты которых изменяются по линейному закону навстречу друг другу (ортогональные линейно частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы). Такими же свойствами обладают два фазоманипулированных радиосигнала, манипуляции фазы которых заданы двумя ортогональными m-последовательностями, соответственно. При этом нормированный коэффициент взаимной корреляции таких сигналов определяется величиной, обратной значению их базы N, которая равна произведению их ширины спектра Δω на длительность τ_u сигнала: N=Δω·τ_u, а формы главных лепестков их автокорреляционных функций (АКФ) идентичны (Амиантов И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи. - М.: Сов. радио, 1971).

Работа первого и второго формирователя сложных сигналов 6 и 7 синхронизируется опорным сигналом, вырабатываемым генератором опорных частот 10, при этом радиосигналы и когерентно-связаны во времени и их фаза относительно друг друга и относительно сигнала генератора опорной частоты 10 постоянна и не изменяется во времени. Выходные сигналы первого и второго формирователей сложных сигналов 6 и 7 усиливаются первым и вторым усилителями мощности 4 и 5 и возбуждают плечи Х и Y поляризационного разделителя ПР. При этом в пространство излучается электромагнитная волна, которая описывается вектором

Отраженная от объекта волна e_p(t) описывается вектором

где S - матрица обратного рассеяния объекта;

- элементы матрицы S (комплексные величины);

τ_i - задержка сигнала времени распространения излученной волны до объекта и обратно.

Отраженная волна принимается антенной 1, и на выходах х и у поляризационного разделителя ПР формируются два сигнала и соответственно, которые через первый и второй циркуляторы 2 и 3 поступают на входы первого и второго малошумящих усилителей 8 и 9, усиливаются и поступают на входы первого опорного сигнала преобразователя частоты (ПЧ_Х) 11 и второго опорного сигнала преобразователя частоты (ПЧ_Y) 12, где преобразуются на промежуточную частоту. Выходные радиосигналы первого и второго опорного сигнала преобразователей частоты 11 и 12 описываются выражениями

где ω_Г=ω₀+ω_ПЧ - частота сигнала гетеродина, вырабатываемого генератором опорных частот;

- коэффициент передачи сигналов и с выходов поляризационного разделителя ПР антенны на входы согласованных фильтров СФ₁ и СФ₂. Фильтры СФ₁ и СФ₂ согласованы с сигналами и (см. выражение 1) соответственно, преобразованными на промежуточную частоту ω_ПЧ.

Каждый из принимаемых сигналов и (см. выражение 7) на промежуточной частоте описывается соотношениями:

Здесь для простоты изложения коэффициент передачи трактов (см. выражение 7) принят равным единице.

Сигналы (8) поступают на входы первого и второго согласованных фильтров 13 и 14. При этом на выходе первого и второго согласованных фильтров 13 и 14 формируются выходные радиосигналы U₁ и U₂, описываемые выражениями:

где * - знак временной свертки;

и - импульсные характеристики первого и второго согласованных фильтров СФ₁ и СФ₂ соответственно;

и - функции, совпадающие (при замене переменной τ на t) по форме с автокорреляционными функциями сигналов и (см. выражение 1), соответственно, преобразованных на промежуточную частоту ω_ПЧ;

- функция, совпадающая (при замене переменной τ на t) с взаимно корреляционной функцией сигналов и (см. выражение 1), соответственно, преобразованных на промежуточную частоту ω_ПЧ.

Таким образом, в силу того, что взаимная корреляция сигналов и мала и, следовательно, выполняется соотношение

амплитуда и фаза сигналов U₁ и U₂ на выходах первого и второго согласованных фильтров 13 и 14 в момент времени t=τ_i пропорциональны, соответственно, модулям и фазам элементов и матрицы обратного рассеяния отражающего объекта, находящегося в i-ом стробе дальности. В выражении (10) и - значения автокорреляционных функций сигналов и , соответственно, при нулевом сдвиге.

Сигналы U₁ и U₂ поступают на входы вычитающего устройства 15, на выходе которого формируется разность этих сигналов, которая детектируется детектором огибающей радиосигнала 16, на выходе которого формируется видеосигнал в соответствии с выражением

Поскольку для всех взаимных объектов внедиагональные элементы

и их матрицы обратного рассеяния всегда тождественно равны, выходной сигнал ΔU отличен от нуля только тогда, когда отражающий объект имеет невзаимные свойства и элементы и его матрицы обратного рассеяния не равны. Отличие выходного сигнала от нуля и есть признак наличия объекта с невзаимными свойствами.

Изобретения относятся к радиолокации и могут быть использованы в устройствах селекции целей по поляризационным свойствам отраженного сигнала, содержащего информацию о поляризационной анизотропии отражающего объекта. Достигаемый технический результат изобретения - возможность селекции целей с невзаимными свойствами обратного рассеяния радиоволн. Способ включает облучение объектов волной с несущей частотой, прием в поляризационном базисе облучения отраженной волны, формирование двух комплексных величин, матрицы взаимной когерентности излученной и отраженной электромагнитных волн, формирование разностного сигнала, при этом в качестве выходного сигнала принимают разностный сигнал, а матрицу M_i определяют по соответствующей формуле. Устройство для реализации способа содержит приемо-передающую антенну полного поляризационного приема-передачи сигнала, циркуляторы, усилители мощности, формирователи сложных сигналов, малошумящие усилители, генератор опорных частот, преобразователи частоты, согласованные фильтры, вычитающее устройство, детектор огибающей радиосигнала, синхронизирующий генератор, соединенные между собой определенным образом. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ селекции невзаимных радиолокационных объектов, включающий облучение объектов волной с несущей частотой ω₀, описываемой в ортогональном поляризационном базисе облучения вектором e₀(t), прием в поляризационном базисе облучения отраженной волны e_p(t), формирование двух комплексных величин U₁, U₂, модули и фазы которых пропорциональны модулям и аргументам элементов M₁₂, М₂₁ соответственно, матрицы взаимной когерентности M_i излученной e₀(t) и отраженной e_p(t) электромагнитных волн, формирование разностного сигнала ΔU как модуля разности величин U₁ и U₂ в соответствии с выражением ΔU=|U₁-U₂|, при этом в качестве выходного сигнала принимают разностный сигнал ΔU, а матрицу M_i определяют по формуле:

где и - функции, описывающие ортогональные по поляризации составляющие облучающей волны причем амплитуда, ширина спектра и длительность этих функций идентичны, а нормированный коэффициент взаимной корреляции функций и для всех возможных временных и частотных сдвигов существенно меньше единицы;
и - сигналы, описывающие ортогональные по поляризации

составляющие отраженной волны;
τ_i - время задержки отраженной от объекта волны e_p(t) относительно момента излучения облучающей волны e₀(t);
« » - знак усреднения на интервале длительности функций (сигналов) и ;
* - знак комплексного сопряжения;
† - знак эрмитового сопряжения.

2. Устройство селекции невзаимных радиолокационных объектов, содержащее приемопередающую антенну полного поляризационного приема-передачи сигнала, ортогональные питающие фидеры которой соединены с первыми входами первого и второго циркуляторов соответственно, вторые входы первого и второго циркуляторов соединены с выходами первого и второго усилителей мощности соответственно, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго формирователей сложных сигналов, предназначенных для формирования узкополосных радиосигналов, амплитуды, ширина спектра и длительности которых идентичны, а их комплексные огибающие имеют малый коэффициент взаимной корреляции, первые входы первого и второго формирователей сложных сигналов соединены с первым выходом генератора опорных частот, третьи выходы первого и второго циркуляторов соединены с входами первого и второго малошумящих усилителей соответственно, выходы первого и второго малошумящих усилителей соединены с сигнальными входами первого и второго преобразователей частоты соответственно, входы опорного сигнала преобразователей частоты соединены со вторым выходом генератора опорных частот, выходы первого и второго опорного сигнала преобразователей частоты соединены с входами второго и первого согласованных фильтров соответственно, выходы первого и второго согласованных фильтров соединены с входами вычитающего устройства соответственно, выход вычитающего устройства соединен с входом детектора огибающей радиосигнала, вторые входы формирователей сложных сигналов соединены с выходом синхронизирующего генератора, при этом первый согласованный фильтр согласован с сигналом первого формирователя сложных сигналов, а второй согласованный фильтр согласован с сигналом второго формирователя сложных сигналов.