СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО СПЕКТРА Российский патент 2012 года по МПК G01S3/14 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано в средствах радиомониторинга и пеленгования.

Составной и наиболее ресурсозатратной операцией в процессах пеленгования и радиомониторинга является определение углового спектра радиоизлучений в пункте приема. Угловой спектр (комплексный) представляет собой линейную комбинацию (сумму, взвешенную пропорционально значениям диаграмм направленности антенн) принимаемых антеннами сигналов с возможных направлений их прихода. В системах с неподвижными антеннами возможные направления прихода сигналов и угловой спектр определяют в дискретных точках, узлах сетки наведения решетки.

Известен способ определения углового спектра, как составная часть способа радиоконтроля, включающий прием и измерение комплексной амплитуды сигналов с помощью антенн, образующих антенную решетку, и приемника, определение узлов сетки наведения решетки по азимуту и углу места и соответствующих значений диаграмм направленности антенн путем равномерной дискретизации диапазона возможных значений двухмерного пеленга, умножение комплексной амплитуды сигналов на значения диаграмм направленности антенн и суммирование результатов умножения по совокупности всех антенн для каждого узла сетки наведения решетки. [1. Способ радиоконтроля. Патент РФ №2158002, 1999, G01S 3/14, 5/04].

Недостатком способа является значительное время определения углового спектра, необходимое для обеспечения требуемой на практике точности наведения решетки на уровне единиц градусов и менее, и которое прямо пропорционально произведению числа антенн на число дискретов (узлов сетки наведения решетки).

Известен способ определения углового спектра, включающий прием сигналов с помощью антенн, образующих линейную антенную решетку, и приемника, предварительное определение дискретных значений диаграммы направленности антенн и быстрое преобразование Фурье принятых сигналов в области пространственных частот. [2. Распространение ультракоротких волн в городах. Под ред. Квартиркина Э.М. Итоги науки и техники. Серия «Радиотехника», т.42, М., ВИНТИ, 1991. Методы и аппаратура исследований углового энергетического спектра, 148-149 с.].

Применением быстрого преобразования Фурье достигается сокращение числа операций обработки, однако, вследствие линейной структуры решетки, способ не применим для определения двухмерного углового спектра и анализа вблизи направления оси антенной решетки. Указанные ограничения области применения являются основным недостатком данного способа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения углового спектра, как составная часть способа двухмерного пеленгования, включающий прием сигналов посредством антенн, образующих антенную решетку, и приемника, предварительное определение узлов сетки наведения решетки и комплексной диаграммы направленности каждой антенны в узлах сетки наведения решетки, умножение каждого из принятых сигналов на комплексно сопряженные диаграммы направленности соответствующей антенны и суммирование результатов умножения по совокупности всех антенн для каждого узла сетки наведения решетки. При этом узлы сетки наведения решетки определяют в системе координат направляющих косинусов (нормированных набегов фаз) путем их равномерного квантования. [3. Способ определения двухмерного пеленга. Патент РФ №2288481, 2006, G01S 5/04].

В способе-прототипе узлы сетки наведения решетки, то есть точки дискретного пространства, применительно к которым измеряют угловой спектр, определяют в системе координат направляющих косинусов. За счет изменения относительно [1] системы координат, соответственно, узлов сетки наведения решетки достигается сокращение примерно в 3,14 раза необходимого количества циклов наведения решетки и, тем самым, уменьшение времени определения углового спектра. Однако общее число операций над сигналами и время обработки значительно, что является недостатком способа.

Технической задачей данного изобретения является уменьшение времени определения углового спектра за счет сокращения числа операций над сигналами.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известном способе определения углового спектра, включающем прием сигналов посредством антенн, образующих решетку, и приемника, предварительное определение комплексных диаграмм направленности антенн в узлах сетки наведения решетки, умножение каждого из принятых сигналов на комплексно сопряженную диаграмму направленности соответствующей антенны и суммирование произведений по совокупности всех антенн для каждого узла сетки наведения решетки, согласно изобретению определяют множество различающихся значений комплексных диаграмм направленности каждой антенны по совокупности всех узлов сетки наведения решетки и номера элементов множества для каждой антенны и узла сетки наведения решетки, умножение принятых сигналов выполняют на комплексно сопряженные элементы множества, а суммируют полученные произведения в соответствии с номерами элементов множества, задействованных в умножении.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного наличием новых условий и порядка осуществления действий:

- определяют множество различающихся значений комплексных диаграмм направленности каждой антенны по совокупности всех узлов сетки наведения решетки;

- определяют номера элементов множества для каждой антенны и узла сетки наведения решетки;

- умножение принятых сигналов выполняют на комплексно сопряженные элементы множества;

- суммируют полученные произведения в соответствии с номерами элементов множества, задействованных в умножении.

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает структурную схему измерительного комплекса для реализации заявленного способа;

Фиг.2 - нормированные набеги фаз первой антенны φ_h,1 для различных узлов сетки наведения решетки с номерами h.

Основой предлагаемого технического решения служит установленное свойство дублирования значений диаграмм направленности антенн, в частности, в системе координат направляющих косинусов. Решение состоит в выявлении повторяющихся операций над сигналами (умножения сигналов, определения диаграмм направленности антенн) и исключении повторного их выполнения непосредственно в процессе углового спектрального анализа. При этом необходимо строгое согласование действий по выявлению повторяющихся операций над сигналами и по организации порядка их выполнения в процессе углового спектрального анализа. Для этого использовано свойство взаимно-однозначного отражения множества различающихся значений диаграмм направленности на подмножество номеров его элементов. Применение данного свойства обеспечивает необходимое согласование, а именно: суммирование произведений в соответствии с номерами элементов множества, задействованных в умножении.

Таким образом, получение и использование информации о дублировании значений диаграмм направленности антенн, в соответствии с предложенными условиями и порядком выполнения действий над сигналами, позволяет уменьшить время определения углового спектра за счет сокращения числа операций над сигналами.

Поскольку заявленный способ может быть реализован при использовании соответствующего устройства - измерительного комплекса, то далее описывается характерный состав функциональных элементов такого комплекса.

Измерительный комплекс (фиг.1), реализующий предложенный способ, содержит антенную решетку 1, состоящую из антенн 2.1-2.N, приемник 3, анализатор углового спектра 4, входящие в его состав каналы обработки 5.1-5.N, содержащие, соответственно, запоминающие устройства (ЗУ) диаграммы 6.1-6.N, умножители 7.1-7.N, запоминающие устройства номера 8.1-8.N и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 9.1-9.N, сумматор 10.

Антенны 2.1-2.N антенной решетки 1 подключены к входам 1-N приемника 3, одноименные выходы которого подключены к входам каналов обработки 5.1-5.N анализатора 4 углового спектра, которыми являются первые входы умножителей соответственно 7.1-7.N. В каналах обработки 5.1-5.N запоминающие устройства диаграммы 6.1-6.N через вторые входы умножителей 7.1-7.N подключены к первым входам ОЗУ 9.1-9.N, ко вторым входам которых подключены выходы ЗУ номера 8.1-8.N. Выходами каналов обработки 5.1-5.N являются соответственно выходы ОЗУ 9.1-9.N, которые подключены к входам 1-N сумматора 10. Выходом измерительного комплекса является выход сумматора 10 анализатора углового спектра 4.

Антенная решетка 1 состоит из идентичных всенаправленных в горизонтальной плоскости антенн 2.1-2.N, образующих кольцевую эквидистантную решетку при общем числе антенн N не менее трех. Антенна с номером n=1 ориентирована в опорном направлении, например на Север, нумерация других антенн по часовой стрелке в порядке возрастания номеров. Отсчет пеленга выполняют относительно опорного направления по часовой стрелке, угла места - от плоскости решетки (земной поверхности).

Приемник 3 цифровой многоканальный с числом каналов, равным числу антенн, имеет N входов и выходов. Представление выходных сигналов - в комплексном виде, то есть через квадратурные составляющие. Приемник может быть выполнен, например, по варианту, приведенному в [4. Побережский К.С. Цифровые радиоприемные устройства. М.: Радио и связь, 1987, с.67-68, рис.3.14].

Анализатор углового спектра 4 параллельно-последовательного типа, параллельный по каналам приема и последовательный при наведении решетки по узлам сетки угловых координат, состоит из типовых функциональных устройств. Обработку в первом канале обработки 5.1 выполняют с помощью умножителя 7.1, оперативного запоминающего устройства 9.1 и запоминающих устройств диаграммы 6.1 и номера 8.1. В других каналах обработку выполняют с помощью идентичного набора устройств, для простоты чтения чертежа на фиг.1 показан состав соответствующих устройств дополнительно только для N-го канала (блоки 6.N-9.N).

Умножитель 7.1 обеспечивает умножение принятого первой антенной 2.1 и приемником 3 сигнала на комплексно сопряженную диаграмму направленности этой антенны.

В запоминающее устройство диаграммы 6.1 заносят различающиеся, по совокупности всех узлов сетки наведения решетки, значения комплексной диаграммы направленности первой антенны. Аналогично для ЗУ диаграмм других антенн. В совокупности, запомненные в этих ЗУ значения, образуют множество различающихся значений комплексных диаграмм направленности антенн.

Оперативное запоминающее устройство 9.1 обеспечивает регистрацию и затем воспроизведение результатов умножения принятых сигналов. По структуре и объему памяти это ОЗУ аналогично ЗУ диаграмм 6.1.

Запоминающее устройство номера 8.1 имеет объем памяти, равный количеству узлов сетки наведения решетки. В нем хранят номера элементов подмножества различающихся значений комплексной диаграммы направленности первой антенны, то есть адреса ячеек памяти ЗУ диаграммы 6.1, задействованных в умножении принятого сигнала. При последовательном, для каждого узла сетки наведения решетки, считывании информации запоминающего устройства номера 8.1 из ОЗУ 9.1 извлекают результаты умножения сигнала, соответствующие выходному номеру запоминающего устройства номера 8.1. В результате такой косвенной адресации к элементам ОЗУ 9.1 устраняется необходимость повторных умножений сигнала на совпадающие значения диаграммы направленности антенны.

Обработка сигналов других антенн выполняется аналогично и синхронно, объединение каналов обработки выполняют с помощью многовходового (число входов равно числу антенн решетки) сумматора 10.

При параллельной, по каналам приема и узлам сетки наведения решетки, обработке число сумматоров увеличивают до равного числу антенн, умножителей - до равного числу элементов множества различающихся значений диаграмм направленности, а операции запоминания-считывания исключаются.

Принцип последующего функционирования измерительного комплекса, в котором реализуется предложенный способ, состоит в следующем.

Перед началом работы определяют:

- узлы сетки наведения решетки;

- комплексные диаграммы направленности каждой антенны в узлах сетки наведения решетки;

- множество различающихся значений комплексных диаграмм направленности каждой антенны по совокупности всех узлов сетки наведения решетки;

- номера элементов множества для каждой антенны и узла сетки наведения решетки.

Узлы сетки наведения решетки, аналогично [3], определяют в координатах (х, у) направляющих косинусов (нормированных набегов фаз), взаимно однозначно связанных с θ пеленгом и β углом места:

Координаты (1) равномерно квантуют в области их определения с образованием узлов сетки наведения решетки, то есть дискретных точек пространства, в которые наводится решетка. Количество уровней квантования задают исходя из потребной дискретности наведения решетки по угловым координатам.

Обозначим полученные указанным способом комплексные координаты узлов сетки, как

где h=0, …, Н-1 - номер узла сетки наведения решетки при общем числе Н, i - мнимая единица.

Тогда комплексные диаграммы направленности антенн 2.1-2.N, зависящие от конфигурации антенной решетки 1, определяют по формуле

где n=1,…, N - номер антенны при общем количестве N, R - радиус решетки, λ - длина волны радиоизлучения, π=3,14…

Величины φ_h,n, равные

по физическому смыслу представляют собой нормированные, на параметр разноса µ=2·π·R/λ, набеги фаз в антеннах решетки.

Согласно способу-прототипу [3] угловой спектр (комплексный) представляет собой линейную комбинацию принимаемых антеннами сигналов, то есть их взвешенную пропорционально значениям диаграмм направленности антенн сумму

где - сигнал принятый n-й антенной, звездочка - знак комплексного сопряжения.

Определение углового спектра непосредственно в соответствии с формулой (5) требует выполнения N·H операций определения комплексных диаграмм (3), (4), умножения и суммирования. Однако часть значений диаграмм направленности совпадает. Указанное положение иллюстрируется фиг.2, где показаны нормированные набеги фаз первой антенны φ_h,1 для различных узлов сетки наведения решетки, состоящей из восьми антенн N=8. Задано 10 уровней квантования каждой (х, у) угловой координаты, при этом число узлов сетки равно H=88. В представленном на фиг.2 примере только 10 значений нормированных набегов фаз, а следовательно, и комплексной диаграммы (3), взаимно однозначно связанной с ними, различаются.

Поэтому в предлагаемом способе определяют множество различающихся значений комплексных диаграмм направленности каждой антенны по совокупности всех узлов сетки наведения решетки. Выполнить это можно различными путями, в частности по следующей методике. Для каждой антенны рассчитывают по формуле (4) нормированные набеги фаз во всех узлах сетки наведения решетки. Из полученной совокупности значений последовательным перебором и сравнением определяют различающиеся значения. Для выявленных различающихся значений нормированных набегов фаз, в соответствии с формулой (3), доопределяют значения комплексной диаграммы направленности и формируют подмножество различающихся значений комплексной диаграммы направленности антенны (по совокупности всех узлов сетки наведения решетки).

Аналогичным образом определяют подмножества различающихся значений комплексной диаграммы направленности других антенн, а результаты объединяют во множество Ω различающихся значений: Ω_j,n. Здесь индекс j есть номер элемента множества для n-й антенны, изменяется от 1 до общего количества различающихся значений диаграммы направленности этой антенны. Различающиеся значения в порядке их получения (номеров j) заносят в ЗУ диаграммы 6.1-6.N.

Одновременно, в процессе определения множества различающихся значений, сравнивают комплексные диаграммы направленности с элементами этого формируемого множества и в момент совпадения определяют номер элемента множества. В более простом логическом варианте после завершения формирования множества различающихся значений повторно рассчитывают комплексные диаграммы направленности каждой антенны (3) поочередно для каждого узла сетки наведения решетки. Вновь рассчитанные значения сравнивают с элементами подмножества различающихся значений диаграммы направленности этой антенны и в момент совпадения значений фиксируют номер элемента этого подмножества. Таким образом, первым или вторым способом определяют номера элементов множества для каждой антенны и узла сетки наведения решетки М_h,n, где h=1,…, Н; n=1,…, N, а результаты заносят в ЗУ номера 8.1-8.N. Соответственно объем каждого из этих запоминающих устройств равен числу Н узлов сетки наведения решетки.

Непосредственно в процессе работы измерительного комплекса сигналы , принятые антеннами 2.1-2.N антенной решетки 1 и приемником 3, поступают на первые входы умножителей 7.1-7.N, где их умножают на комплексно сопряженные элементы множества различающихся значений диаграмм направленности, поочередно поступающие с выходов запоминающих устройств диаграммы 6.1-6.N по вторым входам умножителей. В результате на выходах умножителей получают произведения вида

Эти произведения последовательно, в порядке поступления данных с ЗУ диаграммы 6.1-6.N, то есть в соответствии с номерами элементов множества, задействованных в умножении, записывают в ОЗУ 9.1-9.N по их первым входам.

После перебора всех элементов множества (данных ЗУ диаграммы 6.1-6.N) для каждого узла сетки наведения решетки в соответствии с номерами, поступающими из запоминающих устройств номера 8.1-8.N по вторым входам ОЗУ 9.1-9.N, производят считывание полученных произведений, а результаты суммируют в сумматоре 10, подавая их на первый, второй,… N-й его вход, в соответствии с номерами антенн решетки.

Таким образом, полученные произведения суммируют в соответствии с номерами элементов множества, задействованных в умножении, и получают на выходе сумматора 10 угловой спектр

Представление углового спектра в виде (7) эквивалентно исходному определению (5), но обеспечивает уменьшение числа операций над сигналами решетки.

При необходимости перехода к координатам «пеленг-угол места», в соответствии с (1) и аналогично [3], выполняют обратное преобразование, с определением узлов сетки наведения решетки в этих координатах

При изменении длины волны анализируемых излучений на новое значение λ₁ информация о номерах элементов множества (содержимое М_h,n запоминающих устройств номера 8.1-8.N) не изменяется, как и структура (число и нумерация элементов) самого множества Ω в запоминающих устройствах диаграммы 6.1-6.N. Однако, в соответствии с формулой (3), проводится переопределение элементов Ω_j,n множества Ω путем возведения их первоначальных значений в степень, равную λ/λ₁, то есть слева от знака переопределения (стрелки) указано переопределенное значение элемента множества для длины волны λ₁. Указанное переопределение может выполняться изменением содержимого ЗУ диаграмм 6.1-6.N или, без его изменения, с помощью дополнительных устройств возведения в степень с установкой их между ЗУ диаграмм 6.1-6.N и соответствующими умножителями 7.1-7.N.

Полученный угловой спектр в последующем может быть использован для анализа распределения энергии излучений в месте приема, как квадрата его модуля, двухмерного пеленга - по максимуму квадрата модуля, начальных фаз принимаемых сигналов в центре антенной решетки, как аргумента комплексного углового спектра (7).

Эффективность изобретения выражается в уменьшении времени определения углового спектра за счет сокращения числа операций над сигналами.

Количественная оценка выполнена применительно к варианту приема сигналов с помощью кольцевой антенной решетки, состоящей из восьми антенн, с соотношением радиуса решетки к длине волны излучения, равным 0,7, когда уровень боковых лепестков двухмерной диаграммы направленности решетки не превышает -3 дБ. Число уровней квантования каждой из координат принято равным пятидесяти (при минимально необходимом, для разрешения основного и боковых лепестков диаграммы направленности решетки, равном семи). Общее число узлов сетки наведения решетки при этом составило Н=1922. Количество различающихся значений комплексной диаграммы направленности составило: 50 и 71 для антенн соответственно с нечетными и четными номерами. Число операций определения различающихся значений комплексной диаграммы направленности и умножения сигналов на нее в предлагаемом способе составляет К₁=(50+71)·4=484. В способе - прототипе необходимое число операций равно К₂=N·H=15936. Таким образом, общее сокращение числа операций над сигналами и, вследствие этого, уменьшение времени анализа по предлагаемому способу достигает К₂/К₁=32,9 раз. В указанное число раз может быть сокращено также число умножителей при технической реализации предлагаемого способа по схеме параллельной обработки принятых сигналов.

Наиболее успешно заявленный способ определения углового спектра промышленно применим в системах двухмерного пеленгования и радиомониторинга источников радиоизлучения коротковолнового диапазона.

Изобретение может быть использовано в средствах радиомониторинга и пеленгования. Способ включает прием сигналов посредством антенн, образующих решетку, и приемника, предварительное определение комплексных диаграмм направленности антенн в узлах сетки наведения решетки, умножение каждого из принятых сигналов на комплексно сопряженную диаграмму направленности соответствующей антенны и суммирование произведений по совокупности всех антенн для каждого узла сетки наведения решетки. В отличие от известного, определяют множество различающихся значений комплексных диаграмм направленности каждой антенны по совокупности всех узлов сетки наведения решетки и номера элементов множества для каждой антенны и узла сетки наведения решетки, умножение принятых сигналов выполняют на комплексно сопряженные элементы этого множества, а суммируют полученные произведения в соответствии с номерами элементов множества, задействованных в умножении. Достигаемый технический результат изобретения - уменьшение времени определения углового спектра за счет сокращения числа операций над сигналами в 32,9 раз. В указанное число раз может быть сокращено также число умножителей при технической реализации способа по схеме параллельной обработки принятых сигналов. 2 ил.

Способ определения углового спектра, включающий прием сигналов посредством антенн, образующих решетку, и приемника, предварительное определение комплексных диаграмм направленности антенн в узлах сетки наведения решетки, умножение каждого из принятых сигналов на комплексно сопряженную диаграмму направленности соответствующей антенны и суммирование произведений по совокупности всех антенн для каждого узла сетки наведения решетки, отличающийся тем, что определяют множество различающихся значений комплексных диаграмм направленности каждой антенны по совокупности всех узлов сетки наведения решетки и номера элементов множества для каждой антенны и узла сетки наведения решетки, умножение принятых сигналов выполняют на комплексно сопряженные элементы этого множества, а суммируют полученные произведения в соответствии с номерами элементов множества, задействованных в умножении.