СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ "ВИРТУАЛЬНЫХ" КАНАЛОВ ПРИЕМА СИГНАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК H01Q1/00 G01S3/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться при проектировании и эксплуатации комплексов радиопеленгации или систем радиосвязи портативного, мобильного (бортового) и стационарного базирования.

Известен способ оценки напряженности электромагнитного или акустического поля по сигналам элементов антенной решетки, расположенных вблизи искажающего поле рассеивателя [1], заключающийся в том, что на каждом элементе антенной решетки записывают сигнал на временном интервале [0,Т], формируют дискретный спектр напряженности поля, выполняя над записанным сигналом процедуру преобразования Фурье, для каждой спектральной компоненты находят вектор В коэффициентов интерполяционной модели поля, удовлетворяющий матрично-векторному уравнению U^(N)=QB, левая часть которого представляет собой вектор U^(N) напряженностей поля спектральной компоненты элементов антенной решетки, а правая часть представляет собой произведение матрицы антенной решетки Q, элементы которой зависят от частоты и расположения элементов антенной решетки, и искомого вектора B коэффициентов интерполяционной модели поля, определяют значение поля спектральной компоненты в произвольной точке плоскости антенной решетки как скалярное произведение найденного вектора В коэффициентов интерполяционной модели поля и вектора q, зависящего от частоты и положения этой оцениваемой точки.

Однако описанный выше способ основан на необходимости решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), в состав которых входят плохообусловленные матрицы, из-за чего он теряет устойчивость функционирования при наличии погрешностей в измерении комплексных амплитуд на элементах физически существующей антенной решетки, вызванных действиями шумов или несимметричностью каналов

Изобретение направлено на повышение устойчивости методов оценки напряженности электромагнитного или акустического поля (формирования «виртуальных» каналов приема сигналов) при их функционировании в условиях наличия шумов или несимметричности каналов антенной системы.

Это достигается тем, что на каждом элементе антенной решетки записывают сигнал на временном интервале [0,Т], формируют дискретный спектр напряженности поля, выполняя над записанным временным сигналом процедуру преобразования Фурье, для каждой спектральной компоненты находят вектор В комплексных амплитуд вспомогательных источников поля с помощью квазирешения матрично-векторного уравнения , например, в виде . При этом - вектор напряженностей поля спектральной компоненты элементов антенной решетки, Q - матрица вспомогательных источников, элементы которой зависят от частоты и взаимного расположения элементов антенной решетки и вспомогательных источников, ^{Н H} - знак Эрмитового сопряжения. При этом число вспомогательных источников определяется как, например, как число наиболее значимых собственных чисел автокорреляционной матрицы принятых антенной решеткой сигналов, т.е. наибольших и отличающихся от остальных по величине не менее, чем на порядок. Элементы матрицы Q определяются как Q_n,m=exp(i·k₀·r_n,m)/r_n,m, где k₀ - волновое число свободного пространства, - расстояние от n-го элемента антенной решетки m-го до вспомогательного источника.

Формируют «виртуальный» канал приема сигналов (определяют значение поля спектральной компоненты в произвольной точке плоскости антенной решетки) как скалярное произведение вектора комплексных амплитуд вспомогательных источников и вектора , элементы которого зависят от частоты, положения формируемого «виртуального» канала приема сигналов в пространстве и числа вспомогательных источников. При этом произвольный m-й элемент вектора определяют как g_m=exp(i·k₀·r_m)/r_m, где k₀ - волновое число свободного пространства, - расстояние от точки, в которой формируется «виртуальный» канал приема сигналов (определяется значение поля спектральной компоненты) до m-го вспомогательного источника.

Значение напряженности электромагнитного или акустического поля в точке плоскости антенной решетки, получаемое в конечном счете, трактуется как полезный сигнал с некоторого «виртуального» антенного элемента, размещенного в данной точке пространства. Таким образом, можно говорить о формировании «виртуальных» каналов приема сигналов, информация с которых может быть использована для повышения отношения сигнал / шум, уточнения координат источников радиоизлучения и т.д.

Отличительной особенностью данного метода является отсутствие необходимости решения системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно неизвестных комплексных амплитуд вспомогательных источников, в состав которых входят плохообусловленные матрицы. В данном случае вместо решения СЛАУ используется процедура квазирешения. Кроме того, число используемых вспомогательных источников определяется как величина наиболее значимых собственных чисел автокорреляционной матрицы входных сигналов, т.е. наибольших и отличающихся от остальных по величине не менее, чем на порядок.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства для реализации способа. Устройство содержит N элементов антенной решетки, каждый из которых соединен с соответствующим приемником сигнала 1.1÷1.N. Выход каждого приемника сигнала 1.1÷1.N соединен со входом соответствующего блока формирования спектра 2.1÷2.N. Спектральные компоненты 1÷L с выходов блоков формирования спектров 2.1÷2.N поступают на соответствующие входы 1÷N блоков обработки сигнала спектральной компоненты 3.1÷3.L. Каждый блок обработки сигнала спектральной компоненты 3.1÷3.L содержит последовательно соединенные узел нахождения амплитуд вспомогательных источников 4 и узел нахождения оценки напряженности поля в точке плоскости антенной решетки 5.

В состав устройства также входят узел определения числа вспомогательных источников 6, блок формирования матриц вспомогательных источников 7, а также блок формирования векторов «виртуальных» каналов приема сигналов 8. Выход узла определения числа вспомогательных источников 6 соединен со входом блока формирования матриц вспомогательных источников 7. Выходы блока формирования матриц вспомогательных источников 7 соединены, соответственно, со входами узлов нахождения амплитуд вспомогательных источников 4. Выходы блока формирования векторов «виртуальных» каналов приема сигналов 8 соединены, соответственно, со входами узлов нахождения оценки напряженности поля в точках плоскости антенной решетки. Выходы узлов нахождения оценки напряженности поля в точках плоскости антенной решетки 5 являются выходами устройства.

Способ осуществляется следующим образом.

Сигнал с каждого элемента антенной решетки поступает на вход приемника сигнала 1.1÷1.N, где производятся процедуры фильтрации, переноса на видеочастоту, аналого-цифрового преобразования и т.д. Видеосигналы с выходов приемников сигнала 1.1÷1.N поступают на входы соответствующих блоков формирования спектра 2.1÷2.N, где записываются на временном интервале [0, Т]. Затем в блоках формирования спектра 2.1÷2.N формируют дискретный спектр напряженности поля, выполняя над записанным временным сигналом процедуру дискретного преобразования Фурье длиной L. Спектральные компоненты 1÷L с выходов блоков формирования спектра 2.1÷2.N поступают на соответствующие входы 1÷N блоков обработки сигнала спектральной компоненты 3.1÷3.L.

В блоке 6, на основе принятых антенной решеткой сигналов, производится определение числа необходимых вспомогательных источников. При этом значение величины используемых вспомогательных источников определяется как число наиболее значимых собственных чисел автокорреляционной матрицы принятых антенной решеткой сигналов, т.е. наибольших и отличающихся от остальных по величине не менее, чем на порядок. Далее, полученное значение используется для формирования матриц вспомогательных источников Q. Каждый элемент матрицы Q определяется как Q_n,m=ехр(i·k₀·r_n,m)/r_n,m, где - расстояние от n-го элемента антенной решетки m-го до вспомогательного источника.

Для каждой спектральной компоненты в узле нахождения амплитуд вспомогательных источников 4 находят вектор данных амплитуд . Вектор находят с помощью процедуры квазирешения матрично-векторного уравнения , в виде . При этом - вектор напряженностей поля спектральной компоненты элементов антенной решетки, значения которого поступают с блоков формирования спектра 2.1÷2.L, Q - матрица вспомогательных источников, элементы которой зависят от частоты и взаимного расположения элементов антенной решетки и вспомогательных источников, ^H - знак Эрмитового сопряжения.

Значение вектора , определенное в узле нахождения амплитуд вспомогательных источников поля 4 поступает на первый вход узла нахождения оценки напряженности поля в точке плоскости антенной решетки 5. На второй вход узла оценки напряженности поля в точке, лежащей в плоскости антенной решетки 5, поступает значение вектора «виртуального» канала приема сигналов , которое формируется в блоке 8. Произвольный m-й элемент вектора определяют как g_m=ехр(i·k₀·r_m)/r_m, где k₀ - волновое число свободного пространства, - расстояние от точки, в которой формируется «виртуальный» канал приема сигналов (определяется значение поля спектральной компоненты) до m-го вспомогательного источника. В узле оценки напряженности поля в точке плоскости антенной решетки значение поля спектральной компоненты определяется как скалярное произведение вектора комплексных амплитуд вспомогательных источников и вектора оцениваемой точки: .

Источник информации

1. RU, патент №2405165 C2, кл., G01S 3/00, 27.11.2010.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться при проектировании и эксплуатации комплексов радиопеленгации или систем радиосвязи портативного, мобильного (бортового) и стационарного базирования. Технический результат - повышение устойчивости функционирования методов оценки напряженности электромагнитного или акустического поля Для этого на каждом элементе антенной решетки записывают интервал на временном интервале [0,Т], производят формирование дискретного спектра напряженности поля с использованием процедуры преобразования Фурье, при этом. для каждой из полученных спектральных компонент находят вектор комплексных амплитуд/вспомогательных источников как приближенное решение матрично-векторного уравнения с использованием процедуры квазирешения. Число вспомогательных источников определяется как число наиболее значимых собственных чисел автокорреляционной матрицы принятых антенной решеткой сигналов, т.е. наибольших и отличающихся от остальных по величине не менее, чем на порядок. Далее определяют значения поля спектральной компоненты в произвольной точке плоскости антенной решетки (формируют «виртуальный» канал приема сигналов) как скалярное произведение найденного вектора комплексных амплитуд вспомогательных источников и соответствующего вектора «виртуального» канала приема сигналов. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования «виртуальных» каналов приема сигналов, заключающийся в том, что на каждом элементе антенной решетки записывают сигнал на временном интервале [0, T], формируют дискретный спектр напряженности поля, выполняя над записанным временным сигналом процедуру преобразования Фурье, для каждой спектральной компоненты находят вектор комплексных амплитуд вспомогательных источников, отличающийся тем, что вектор комплексных амплитуд вспомогательных источников находят как приближенное решение недоопределенного или переопределенного матрично-векторного уравнения с использованием процедуры квазирешения, формируют «виртуальный» канал приема сигналов как скалярное произведение вектора комплексных амплитуд вспомогательных источников и вектора , зависящего от частоты, положения формируемого «виртуального» канала в пространстве и числа вспомогательных источников.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что число вспомогательных источников определяют как число наиболее значимых собственных чисел автокорреляционной матрицы принятых антенной решеткой сигналов, т.е. наибольших относительно остальных по величине не менее, чем на порядок.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вектор комплексных амплитуд вспомогательных источников поля определяют с использованием процедуры квазирешения как , где - вектор напряженностей поля спектральной компоненты элементов антенной решетки, Q - матрица вспомогательных источников, элементы которой зависят от частоты и взаимного расположения элементов антенной решетки и вспомогательных источников, ^H - знак Эрмитового сопряжения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что произвольный элемент матрицы Q, соответствующий n-й строке и m-му столбцу определяют как комплексную величину, с амплитудой, обратно пропорциональной расстоянию между n-м элементом антенной решетки и m-м вспомогательным источником, и фазой, равной произведению волнового числа свободного пространства на расстояние между n-м элементом антенной решетки и m-м вспомогательным источником.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что произвольный элемент вектора определяют как комплексную величину, с амплитудой, обратно пропорциональной расстоянию между точкой, в которой формируют «виртуальный» канал приема сигналов и m-м вспомогательным источником, и фазой, равной произведению волнового числа свободного пространства на расстояние между точкой, в которой формируют «виртуальный» канал приема сигналов и m-м вспомогательным источником.