ФАЗОМЕТР КОГЕРЕНТНО-ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фаз (радиальной скорости объекта) когерентно-импульсных периодических радиосигналов на фоне шума; может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного измерения доплеровской скорости летательных аппаратов.

Известен фазометр среднего значения сдвига фазы [1], содержащий последовательно соединенные фазометр мгновенного значения, блок памяти, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом фазометра мгновенного значения, блок свертки, тригонометрический преобразователь, два выхода которого соединены с двумя одинаковыми каналами, состоящими из последовательно соединенных перемножителя и блока усреднения, выходы блока усреднения каждого канала соединены с соответствующими входами блока вычисления фазы, вторые входы перемножителя через блок вычисления модуля соединены с входом фазометра мгновенного значения, являющимся входом устройства. Однако это устройство из-за двойного тригонометрического преобразования обладает большой аппаратурной погрешностью, имеет малые пределы измерения фазы [-π/2, π/2].

Известен также фазометр [2], содержащий два сумматора, входы которых являются входами фазометра, к ним также подключены детекторы огибающих, выходы сумматоров соединены через последовательно включенные усилители с АРУ, линии задержки и ключи со вторыми входами сумматоров, вторые входы ключей соединены с выходами детекторов огибающих, а вторые входы усилителей с АРУ подключены к выходам источника опорных напряжений, выходы сумматоров соединены с входами смесителей, выходы которых через последовательно соединенные фильтры нижних частот и избирательные усилители подключены к входам фазоиндикатора, выход одного из фильтров нижних частот соединен с входом системы ФАПЧ, выходы которой соединены со вторыми входами смесителей. Однако данное устройство имеет низкую точность измерения и, кроме того, из-за наличия в нем ФАПЧ обладает повышенной инерционностью.

Наиболее близким к изобретению является фазометр доплеровского сдвига фазы радиоимпульсных сигналов [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий блок задержки, выходы которого соединены с входами блока комплексного сопряжения (на основе инвертора), выходы которого соединены с первыми входами блока комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами блока задержки, являющимися входами фазометра, выходы блока комплексного умножения соединены с входами блока усреднения, выходы которого соединены с входами блока вычисления фазы и входами блока вычисления модуля, а также со вторыми входами блока коррекции пределов измерения, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления фазы; выход блока коррекции пределов измерения соединен с входом ключа, управляющий вход которого через пороговый блок подключен к выходу блока вычисления модуля, второй вход порогового блока соединен с выходом блока памяти. Однако данное устройство обладает ограниченным диапазоном измерения доплеровской (радиальной) скорости.

Задачей, решаемой в изобретении, является расширение диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей за счет применения дополнительной обработки когерентно-импульсных сигналов.

Для решения поставленной задачи в фазометр когерентно-импульсных сигналов, содержащий блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, блок коррекции пределов измерения, ключ, блок вычисления модуля, пороговый блок, блок памяти и синхрогенератор, введены дополнительный блок задержки, дополнительный блок комплексного сопряжения, дополнительный блок комплексного умножения, дополнительный умножитель и дополнительный блок памяти.

Дополнительные блоки, введенные в предлагаемое устройство, являются известными. Так, соединенные вместе блок задержки, блок комплексного сопряжения и блок комплексного умножения позволяют выделить доплеровский набег фазы за интервал между соседними импульсами. Однако неизвестно совместное применение блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, дополнительного блока задержки, дополнительного блока комплексного сопряжения и дополнительного блока комплексного умножения. Новыми являются связи дополнительного блока задержки и дополнительного блока комплексного умножения с блоком комплексного умножения, дополнительного блока комплексного умножения с блоком усреднения и дополнительного умножителя с блоком коррекции пределов измерения и ключом, что обеспечивает расширение диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей. Связи между синхрогенератором и всеми блоками фазометра когерентно-импульсных сигналов обеспечивают согласованную обработку когерентно-импульсной последовательности радиоимпульсов.

Сравнение с техническими характеристиками, известными из опубликованных источников информации, показывает, что заявляемое решение обладает новизной и имеет изобретательский уровень.

Заявляемое решение носит технический характер, осуществимо, воспроизводимо и, следовательно, является промышленно применимым.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема фазометра когерентно-импульсных сигналов; на фиг.2 - блоков задержки; на фиг.3 - блоков комплексного сопряжения; на фиг.4 - блоков комплексного умножения; на фиг.5 - блока усреднения; на фиг.6 - блока вычисления фазы; на фиг.7 - блока коррекции пределов измерения; на фиг.8 - блока присвоения знака; на фиг.9 - блока вычисления модуля.

Фазометр когерентно-импульсных сигналов (фиг.1) содержит блок 1 задержки, блок 2 комплексного сопряжения, блок 3 комплексного умножения, блок 4 усреднения, блок 5 вычисления фазы, блок 6 коррекции пределов измерения, ключ 7, блок 8 вычисления модуля, пороговый блок 9, блок 10 памяти, синхрогенератор 11, дополнительный блок 12 задержки, дополнительный блок 13 комплексного сопряжения, дополнительный блок 14 комплексного умножения, дополнительный умножитель 15 и дополнительный блок памяти 16, при этом выходы блока 1 задержки соединены с входами блока 2 комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока 3 комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами блока 1 задержки, выходы блока 4 усреднения соединены с входами блока 5 вычисления фазы и входами блока 8 вычисления модуля, а также со вторым и третьим входами блока 6 коррекции пределов измерения, первый вход которого соединен с выходом блока 5 вычисления фазы, выход блока 8 вычисления модуля соединен с первым входом порогового блока 9, выход которого соединен с управляющим входом ключа 7, второй вход порогового блока 9 соединен с выходом блока 10 памяти, входы дополнительного блока 12 задержки соединены с выходами блока 3 комплексного умножения, выходы дополнительного блока 12 задержки соединены с входами дополнительного блока 13 комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами дополнительного блока 14 комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами дополнительного блока 12 задержки, выходы дополнительного блока 14 комплексного умножения соединены с входами блока 4 усреднения, выход блока 6 коррекции пределов измерения соединен с первым входом дополнительного умножителя 15, второй вход которого соединен с выходом дополнительного блока 16 памяти, выход дополнительного умножителя 15 соединен с основным входом ключа 7, выход синхрогенератора 11 соединен с синхровходами блока 1 задержки, блока 2 комплексного сопряжения, блока 3 комплексного умножения, блока усреднения 4, блока 5 вычисления фазы, блока 6 коррекции пределов измерения, ключа 7, блока 8 вычисления модуля, порогового блока 9, блока памяти 10, дополнительного блока 12 задержки, дополнительного блока 13 комплексного сопряжения, дополнительного блока 14 комплексного умножения, дополнительного умножителя 15 и дополнительного блока памяти 16, причем входами фазометра когерентно-импульсных сигналов являются входы блока задержки 1, а первым и вторым выходами - соответственно выходы ключа 7 и порогового блока 9.

Блок 1 задержки и дополнительный блок 12 задержки (фиг.2) содержат две цифровые линии задержки 17 на интервал Т, входами блоков задержки являются входы цифровых линий задержки 17, выходы которых являются выходами блоков задержки.

Блок 2 комплексного сопряжения и дополнительный блок 13 комплексного сопряжения (фиг.3) содержат инвертор 18, первый вход блоков комплексного сопряжения является его первым выходом, вторым входом является вход инвертора, выход которого является вторым выходом блока комплексного сопряжения.

Блок 3 комплексного умножения и дополнительный блок 14 комплексного умножения (фиг.4) содержат два канала (I, II), каждый из которых включает первый перемножитель 19, последовательно включенные второй перемножитель 20 и сумматор 21, выход первого перемножителя 19 одного канала соединен со вторым входом сумматора 21 другого канала, а первыми и вторыми входами блока комплексного умножения соответственно являются объединенные между собой первые входы первого и второго перемножителей 19, 20 каждого из каналов, объединенные вторые входы вторых перемножителей 20 и объединенные вторые входы первых перемножителей 19, а выходами блока комплексного умножения являются выходы сумматоров 21 каналов.

Блок 4 усреднения (фиг.5) содержит два канала (I, II), каждый из которых состоит из N-3 последовательно включенных цифровых линий задержки 22 на интервал T и N-3 сумматоров 23, входами блока усреднения являются объединенные входы первой линии задержки 22 и первого сумматора 23 каждого канала (I, II), а выход k-й [k=1…(N-3)] линии задержки 22 соединен со вторым входом k-гo [k=1…(N-3)] сумматора 23 каждого канала (I, II), выходами блока усреднения служат выходы (N-3)-го сумматора.

Блок 5 вычисления фазы (фиг.6) содержит последовательно соединенные делитель 24 и функциональный преобразователь 25, входами блока вычисления фазы являются входы делителя 24, а выходами блока вычисления фазы являются выходы функционального преобразователя 25.

Блок 6 коррекции пределов измерения (фиг.7) содержит последовательно включенные модульный блок 26, сумматор 27, блок 28 присвоения знака, первый ключ 29 и сумматор 30, при этом первый вход блока коррекции пределов измерения через второй ключ 31 соединен со вторым входом сумматора 30, выход блока памяти 32 соединен со вторым входом сумматора 27, второй вход блока коррекции пределов измерения соединен с управляющими входами первого 29 и второго 31 ключей, второй вход блока 28 присвоения знака является третьим входом блока коррекции пределов измерения, выход сумматора 30 является выходом блока коррекции.

Блок 28 присвоения знака (фиг.8) содержит блоки 33, 36 умножения, блок 34 памяти и ограничитель 35, причем второй вход блока присвоения знака является первым входом блока 33 умножения, второй вход которого соединен с выходом блока 34 памяти, выход блока 33 умножения соединен со входом ограничителя 35, выход которого соединен с первым входом блока 36 умножения, второй вход которого является первым входом блока присвоения знака, выходом блока присвоения знака служит выход блока 36 умножения.

Блок 8 вычисления модуля (фиг.9) содержит два блока 37 умножения, сумматор 38 и блок 39 извлечения квадратного корня, входами блока вычисления модуля являются входы блоков 37 умножения, выходы которых соединены с первым и вторым входами сумматора 38, выход которого соединен с входом блока 39 извлечения квадратного корня, выход которого является выходом блока вычисления модуля.

Фазометр когерентно-импульсных сигналов работает следующим образом.

В заявляемом фазометре обрабатывается когерентно-импульсная последовательность N радиоимпульсов, несущие частоты излучения которых с начального значения ƒ₀ линейно перестраиваются от импульса к импульсу на величину Δƒ, т.е частота k-го импульса ƒ_k=ƒ₀+{k-1)Δƒ, k=1…N. При

отражении радиоимпульсов от движущейся цели их несущие частоты приобретают доплеровские сдвиги фазы (φ_k=φ+(k-1)Δφ, причем

φ=4πƒ₀Tν_r/c, Δφ=4πΔƒTν_r/c,

где Т - период повторения импульсов, ν_r - радиальная скорость цели, с - скорость распространения радиоволн.

Отраженные от цели радиоимпульсы поступают на вход приемника, в котором усиливаются, в квадратурных фазовых детекторах переносятся на видеочастоту, а затем подвергаются аналого-цифровому преобразованию (соответствующие блоки на фиг.1 не показаны). На вход фазометра в одном элементе разрешения по дальности поступают цифровые отсчеты комплексной огибающей

$$U_k=u_{1k}+i{u}_{2k}=\left|U_k\right|\exp \left\{i\left({\theta }_k+{\varphi }_0\right)\right\},k=1\dots N,$$

где $$u_{1k}$$ , $$u_{2k}$$ - действительная и мнимая части отсчетов U_k,

$${\theta }_k={\displaystyle \sum _{l=1}^k{\varphi }_l}=k\varphi +\frac{k(k-1)}{2}\Delta \varphi$$ - суммарный сдвиг фазы k-го импульса,

φ₀ - начальная фаза.

Входные отсчеты U_k фазометра (фиг.1) в блоке 1 задержки (фиг.2) задерживаются на период повторения Т. В блоке 2 комплексного сопряжения (фиг.3) осуществляется комплексное сопряжение задержанного отсчета $$(U_{k-1}^{*})$$ . Далее в блоке 3 комплексного умножения (фиг.4) реализуется обработка отсчетов в соответствии с алгоритмом

$$\begin{array}{l}{X}_k=U_{k-1}^{*}{U}_k=\left(u_{\mathrm{1,}k-1}-i{u}_{\mathrm{2,}k-1}\right)\left(u_{1k}+i{u}_{2k}\right)=\\ =u_{\mathrm{1,}k-1}{u}_{1k}+u_{\mathrm{2,}k-1}{u}_{2k}+i\left(u_{\mathrm{1,}k-1}{u}_{2k}-u_{\mathrm{2,}k-1}{u}_{1k}\right)=\\ =\left|X_k\right|\exp \left\{i\left[\varphi +\left(k-1\right)\Delta \varphi \right]\right\},k=2\dots N.\end{array}$$

После задержки в дополнительном блоке 12 задержки (фиг.2) и комплексного сопряжения в дополнительном блоке 13 комплексного сопряжения

(фиг.3) отсчеты $$X_{k-1}^{*}$$ умножаются с отчетами Х_k в дополнительном блоке 14 комплексного умножения (фиг.4), на выходе которого образуются отсчеты

$$\begin{array}{l}{Y}_k=X_{k-1}^{*}{X}_k={\left(U_{k-2}^{*}{U}_{k-1}\right)}^{*}{U}_{k-1}^{*}{U}_k=\\ =U_k{}_{-2}{U}_{k-1}^{*}{U}_{k-1}^{*}{U}_k=\left|Y_k\right|\exp \left(i\Delta \varphi \right),k=3\dots N.\end{array}$$

С выхода дополнительного блока 14 комплексного умножения отсчеты поступают в блок 4 усреднения (фиг.5), осуществляющий с помощью линий задержки 22 и сумматоров 23 скользящее вдоль азимута суммирование, что приводит к образованию на выходе блока 4 усреднения величины

$$V={\nu }_1+i{\nu }_2={\displaystyle \sum _{k=3}^N{Y}_k={\displaystyle \sum _{k=3}^N{U}_{k-2}}{U}_{k-1}^{*}{U}_{k-1}^{*}{U}_k=\left|V\right|\exp \left(i\Delta \varphi \right)}.$$

Величины ν₁ и ν₂ поступают на соответствующие входы блока 5 вычисления фазы (фиг.6), где на основе блока 24 деления и функционального преобразователя 25 вычисляется оценка

$$\Delta \widehat{\varphi }=\arg V=arctg\left({\nu }_2/{\nu }_1\right).$$

Последующие преобразования оценки $$\Delta \widehat{\varphi }$$ происходят в блоке 6 коррекции пределов измерения (фиг.7) и зависят от знака ν₁. При ν₁>0 открыт второй ключ 31, и оценка $$\Delta \widehat{\varphi }$$ через сумматор 30 непосредственно поступает на выход блока коррекции пределов измерения. При ν₁<0 открыт первый ключ 29, а второй ключ 31 закрыт. При этом в модульном блоке 26 образуется $$\left|\arg V\right|$$ , вычитаемый в блоке 27 из величины π, поступающей от блока 32 памяти. Полученной разности в блоке 28 присваивается знак величины ν₂.

Блок 28 присвоения знака (фиг.8) работает следующим образом. На второй вход блока присвоения знака поступает величина ν₂, где в блоке 33 умножения производится ее умножение на постоянный множитель из блока 34 памяти с целью масштабирования и дальнейшего ограничения в ограничителе 35 по уровню ±1. Таким образом, после ограничения величина на выходе ограничителя 35 имеет смысл знака величины ν₂, который, поступая на первый вход блока 36 умножения, присваивается разности $$\pi -\left|\arg V\right|$$ , поступающей на первый вход блока присвоения знака, т.е. на второй вход блока 36 умножения с выхода сумматора 27.

Рассмотренные операции позволяют найти в блоке 5 вычисления фазы оценку доплеровского сдвига фазы, находящуюся в интервале [-π/2, π/2], а затем в блоке 6 коррекции пределов измерения расширить пределы ее однозначного измерения до интервала [-π, π] в соответствии с алгоритмом

$$\Delta \widehat{\varphi }=\left\{\begin{array}{l}\arg V,при{\nu }_1>0;\\ \left(\mathrm{sgn}{\nu }_2\right)\left(\pi -\left|\arg V\right|\right)при{\nu }_1<0.\end{array}\right\}$$

Дополнительный блок 15 умножения (фиг.1) осуществляет умножение найденной оценки сдвига фазы $$\Delta \widehat{\varphi }$$ на коэффициент a, хранящийся в дополнительном блоке 16 памяти, что позволяет найти однозначную оценку радиальной скорости в соответствии с алгоритмом

$${\widehat{\nu }}_r=\Delta \widehat{\varphi }\frac{c}{4\pi T\Delta ƒ}=\Delta \widehat{\varphi }a$$ .

Выигрыш в диапазоне однозначного измерения вытекает из сравнения доплеровских частот предложенного устройства ƒ_д.пр=2ν_rΔƒ/c и известного (прототипа) ƒ_д.из=2ν_rƒ₀/c. Так как в обоих случаях интервал однозначности доплеровской частоты соответствует [-1/2T, 1/2T], то интервал однозначного измерения радиальной скорости расширяется в ƒ₀/Δƒ раз, что соответствует решению поставленной задачи изобретения. Если в соответствии с условием ƒ_{д пр}≤1/2T для максимально возможной скорости цели ν_{r max} выбрать разнос несущих частот Δƒ≤c/4ν_{r max}, то во всем диапазоне реальных скоростей цели может быть осуществлено их однозначное измерение. При этом сохраняется однозначность измерения дальности, которая обеспечивается соответствующим выбором периода повторения импульсов Т.

Для уменьшения вероятности работы устройства по шумам в нем исключается выдача полученной оценки на выход в отсутствие отраженного от цели сигнала. С выхода блока 4 усреднения (фиг.1) величины ν₁ и ν₂ поступают на вход блока 8 вычисления модуля (фиг.9), реализующего алгоритм

$$\nu =\left|V\right|=\sqrt{{\nu }_1^2+{\nu }_2^2}\ge {\nu }_0.$$

Далее величина ν поступает на первый вход порогового блока 9, в котором сравнивается с пороговым уровнем ν₀, записанным в блоке 10 памяти. Если происходит превышение порогового уровня ν₀, то с выхода порогового блока 9 поступает сигнал разрешения на прохождение результата вычисления с выхода дополнительного блока 15 умножения через ключ 7 на первый выход фазометра когерентно-импульсных сигналов. В противном случае ключ 7 разомкнут. Кроме того, сигнал с выхода порогового блока 9, являющегося вторым выходом фазометра когерентно-импульсных сигналов, может быть использован для отсчета других координат цели, например дальности.

Синхронизация фазометра когерентно-импульсных сигналов осуществляется подачей на все блоки заявляемого устройства последовательности синхронизирующих импульсов, вырабатываемых синхронизатором 11 (фиг.1), с периодом повторения t_к, определяемым из условия требуемой разрешающей способности по дальности.

Таким образом, фазометр когерентно-импульсных сигналов позволяет получить требуемый диапазон однозначно измеряемых доплеровских скоростей при сохранении однозначного измерения дальности.

Библиография

1. А.С. №737860 (СССР), МКИ G01R 25/00. Фазометр среднего значения набега фазы. / Э.В.Арбенин, А.В.Касаткин и В.А.Острожинский. Опубл. 30.05.1980. - Изобретения. - 1980. - №20. - С.226.

2. А.С. №1195279 (СССР), МКИ G01R 25/00. Радиоимпульсный фазометр. / В.Я.Суньян и Э.Е.Пашковский. Опубл. 30.11.1985. - Изобретения. - 1985. - №44. - С.204.

3. А.С. №1748086 (СССР), МКИ G01R 25/00. Фазометр доплеровского набега фазы радиоимпульсных сигналов. / Д.И.Попов, С.В.Герасимов и Е.Н.Матаев. Опубл. 15.07.1992. - Изобретения. - 1992. - №26. - 6 с.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фаз (радиальной скорости объекта) когерентно-импульсных периодических радиосигналов на фоне шума; может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного измерения доплеровской скорости летательных аппаратов. Фазометр когерентно-импульсных сигналов содержит блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, блок коррекции пределов измерения, ключ, блок вычисления модуля, пороговый блок, блок памяти, синхрогенератор, дополнительный блок задержки, дополнительный блок комплексного сопряжения, дополнительный блок комплексного умножения, дополнительный умножитель и дополнительный блок памяти, осуществляющие междупериодную обработку исходных отсчетов с целью однозначного измерения доплеровской (радиальной) скорости движущегося объекта. Применение фазометра когерентно-импульсных сигналов позволяет получить требуемый диапазон однозначно измеряемых доплеровских скоростей при сохранении однозначного измерения дальности, что и является достигаемым техническим результатом. 9 ил.

Фазометр когерентно-импульсных сигналов, содержащий блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, блок коррекции пределов измерения, ключ, блок вычисления модуля, пороговый блок, блок памяти и синхрогенератор, при этом выходы блока задержки соединены с входами блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами блока задержки, выходы блока усреднения соединены с входами блока вычисления фазы и входами блока вычисления модуля, а также со вторым и третьим входами блока коррекции пределов измерения, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления фазы, выход блока вычисления модуля соединен с первым входом порогового блока, выход которого соединен с управляющим входом ключа, второй вход порогового блока соединен с выходом блока памяти, выход синхрогенератора соединен с синхровходами блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, блока усреднения, блока вычисления фазы, блока коррекции пределов измерения, ключа, блока вычисления модуля, порогового блока и блока памяти, отличающийся тем, что введены дополнительный блок задержки, дополнительный блок комплексного сопряжения, дополнительный блок комплексного умножения, дополнительный умножитель и дополнительный блок памяти, при этом входы дополнительного блока задержки соединены с выходами блока комплексного умножения, выходы дополнительного блока задержки соединены с входами дополнительного блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами дополнительного блока комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами дополнительного блока задержки, выходы дополнительного блока комплексного умножения соединены с входами блока усреднения, выход блока коррекции пределов измерения соединен с первым входом дополнительного умножителя, второй вход которого соединен с выходом дополнительного блока памяти, выход дополнительного умножителя соединен с основным входом ключа, выход синхрогенератора соединен с синхровходами дополнительного блока задержки, дополнительного блока комплексного сопряжения, дополнительного блока комплексного умножения, дополнительного умножителя и дополнительного блока памяти, причем входами фазометра когерентно-импульсных сигналов являются входы блока задержки, а первым и вторым выходами - соответственно выходы ключа и порогового блока.