СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА БЕЗЭХОВОСТИ В РАДИОЧАСТОТНОЙ БЕЗЭХОВОЙ КАМЕРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к области радиоэлектронных систем и комплексов навигации и наведения, а именно использованию безэховых экранированных камер (БЭК), воспроизводящих условия распространения электромагнитных волн (ЭМВ) в свободном пространстве.

В настоящее время актуальна проблема оценки основной радиотехнической характеристики БЭК – коэффициента безэховости (КБ), который определяется отношением рассеянного камерой Р_расс потока мощности к прямому потоку мощности Р_пр, пришедшему от излучателя, в заданной точке безэховой зоны БЭК [Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. – М.: Радио и связь, 1982].

Способ измерения может реализовываться следующими методами: метод непосредственного измерения рассеянной мощности; метод коэффициента стоячей волны; сравнения (наложения) диаграмм направленности (ДН); генератора качающейся частоты (свип-генератора); двух приемных антенн; вибрационный; коммутационный; реконструктивных антенных измерений; импульсный метод [Нечаев Е.Е., Шашенков В.Ф. О возможности применения реконструктивных антенных измерений для радиотехнической аттестации помещений // Научный вестник МГТУ ГА. 2005. №93].

Из уровня техники известен способ измерения коэффициента безэховости помещений в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин электромагнитных волн по патенту РФ №2032913, приоритет от 08.05.1991, МПК G01R 29/10. Способ измерения коэффициента безэховости помещений в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин электромагнитных волн основан на излучении передающей антенной электромагнитной волны (ЭМВ) с изменяющейся во времени частотой, приеме ЭМВ приемной антенной, измерении излученной и принятой мощностей, вычислении коэффициента безэховости.

Недостатком способа измерения коэффициента безэховости помещений в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин электромагнитных волн является сложность воспроизведения сигнала с изменяющейся частотой во времени, сложное выполнение технологии измерения, необходимость использования помимо дополнительной технологической антенны. Кроме того, для обеспечения достоверности проведенных измерений необходимо удовлетворить ряд требований к стабильности параметров измерительной аппаратуры.

Также из уровня техники известен способ измерения коэффициента безэховости в зоне испытуемой антенны по патенту РФ №2651635, приоритет от 29.06.2017, МПК G01R 29/08, наиболее близкий к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа. Способ измерения коэффициента безэховости в зоне испытуемой антенны состоит в излучении сигнала с помощью излучающей антенны с суммарной ДН на частоте f1 и с разностной ДН на частоте f2 и приеме сигнала с помощью испытуемой антенны. Коэффициент безэховости определяют по результатам измерения значений уровня сигнала диаграмм направленности двух излучающих антенн на разной частоте путем совмещения оси первой излучающей антенны с осью испытуемой антенны и совмещением оси второй излучающей антенны с осью испытуемой антенны, и вращают излучающие антенны вокруг своей оси.

Недостатками способа измерения коэффициента безэховости в зоне испытуемой антенны являются: высокие требования к точностным характеристикам антенн, присутствие механизма вращения и использование больше двух антенн (мобильность), значительные временные затраты, использование двух антенн в излучающей системе увеличивает погрешность измерения на величину погрешности второй антенны, при таком расположении излучающих антенн, во время вращения вокруг своей оси, система обладает эффектом параллакса относительно приемной антенны.

Изобретение направлено на решение следующей технической проблемы: создание способа определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере, лишенного указанных выше недостатков.

Для способа определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере техническая проблема решается за счет того, что используют безэховую камеру, излучающую антенну и пассивную широкополосную антенну, расположенные в безэховой камере, генератор импульсов, осциллограф и персональный компьютер, на базе которого реализован модуль реализации определения коэффициента безэховости, расположенные вне безэховой камеры, с помощью генератора формируют последовательность зондирующих импульсов измеряемой частоты с минимальной длительностью импульса и периодом повторения больше, чем возможное время распространения переотраженных импульсов, излучают зондирующие импульсы с помощью излучающей антенны во внутреннее пространство безэховой камеры, принимают зондирующие импульсы с помощью пассивной широкополосной антенны, с помощью осциллографа преобразуют принимаемые сигналы в цифровую форму и сохраняют в памяти прибора или на внешнем носителе в виде блоков данных, с помощью модуля реализации определения коэффициента безэховости, предназначенного для преобразования и обработки оцифрованных сигналов, позволяющих измерить отношения сигнал/шум зондирующих импульсов и переотраженных, обрабатывают сохраненные файлы сигналов с зондирующими импульсами и шумом, что позволяет оценить коэффициент безэховости.

Изобретение позволяет достичь следующего технического результата: повышение точности и увеличение динамического диапазона измерения коэффициента безэховости, отсутствие сложных механических устройств вращения антенн, а также уменьшение времени проведения измерений и экономия машинного времени.

Из уровня техники известно устройство, реализующее способ измерения коэффициента безэховости помещений в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин электромагнитных волн по патенту РФ №2032913, приоритет от 08.05.1991, МПК G01R 29/10. Устройство, реализующее способ измерения коэффициента безэховости помещений в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин электромагнитных волн, содержит генератор, тракт, приемный тракт, содержащий аттенюатор, вентиль, детекторную секцию, селективный усилитель, антенны и поворотные устройства.

Недостатком устройства, реализующего способ измерения коэффициента безэховости помещений в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин электромагнитных волн, является сложность воспроизведения сигнала с изменяющейся частотой во времени, сложное выполнение технологии измерения, необходимость использования помимо дополнительной технологической антенны. Кроме того, для обеспечения достоверности проведенных измерений необходимо удовлетворить ряд требований к стабильности параметров измерительной аппаратуры.

Также из уровня техники известна система для реализации способа измерения коэффициента безэховости в зоне испытуемой антенны по патенту РФ №2651635, приоритет от 29.06.2017, МПК G01R 29/08, наиболее близкая к предлагаемому изобретению и выбранная в качестве прототипа. Система для реализации способа измерения коэффициента безэховости в зоне испытуемой антенны содержит генератор, излучающую антенну, содержащую два рупорных излучателя, соединенных с боковыми плечами двойного волнового моста, испытуемую антенну.

Недостатками системы для реализации способа измерения коэффициента безэховости в зоне испытуемой антенны являются: высокие требования к точностным характеристикам антенн, присутствие механизма вращения и использование больше двух антенн (мобильность), значительные временные затраты, использование двух антенн в излучающей системе увеличивает погрешность измерения на величину погрешности второй антенны, при таком расположении излучающих антенн, во время вращения вокруг своей оси, система обладает эффектом параллакса относительно приемной антенны.

Изобретение направлено на решение следующей технической проблемы: создание устройства для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере, лишенного указанных выше недостатков.

Техническая проблема решается за счет того, что устройство для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере содержит генератор импульсов, излучающую антенну, пассивную широкополосную антенну, обеспечивающую как прием прямого сигнала, так и всеракурсный прием переотраженных сигналов, осциллограф с частотой дискретизации, по меньшей мере, в два раза превышающую измеряемую частоту, модуль реализации определения коэффициента безэховости, позволяющее измерить отношения сигнал/шум зондирующих импульсов и переотраженных зондирующих импульсов, за счет чего оценить коэффициент безэховости, реализованное на базе персонального компьютера, при этом излучающая антенна и пассивная широкополосная антенна расположены в безэховой камере, а генератор импульсов, осциллограф и персональный компьютер расположены в специализированном помещении вне безэховой камеры.

Изобретение позволяет достичь следующего технического результата: повышение точности и увеличение динамического диапазона измерения коэффициента безэховости, отсутствие сложных механических устройств вращения антенн, а также уменьшение времени проведения измерений и экономия машинного времени.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема устройства для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере.

На фиг. 2 изображена схема модуля реализации определения коэффициента безэховости, входящего в состав устройства для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере.

На фиг. 1-2 обозначены следующие позиции:

1 - генератор импульсов;

2 - излучающая антенна;

3 - пассивная широкополосная антенна;

4 - осциллограф;

5 - персональный компьютер;

6 - кабель;

7 - блок загрузки;

8 - блок расчета порога;

9 - блок возведения в квадрат;

10 - блок сжатия сигнала;

11 - блок определения интервала зондирующего импульса;

12 - блок согласованной фильтрации;

13 - блок накопления;

14 - блок порогового устройства;

15 - блок оценки соотношения сигнал/шум прямого зондирующего импульса (блок оценки С/Ш ЗИ);

16 - блок оценки соотношения сигнал/шум переотраженного зондирующего импульса (блок оценки С/Ш ПЗИ);

17 - блок вычитания.

В тексте описания использованы следующие сокращения:

КБ - коэффициент безэховости;

БЭК - безэховая камера;

ЗИ - зондирующий импульс;

ПЗИ - переотраженный зондирующий импульс;

С/Ш - соотношение сигнал/шум.

Способ определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере основан на использовании импульсного метода, суть которого заключается в излучении широкополосных сигналов, их приеме и обработке во временной и частотной области с использованием прямого и обратного Фурье-преобразований и заключается в следующем.

Для исследуемой рабочей зоны внутри безэховой камеры (БЭК) используют генератор импульсов 1 в качестве источника сигнала, а также излучающую антенну 2, пассивную широкополосную антенну 3, обеспечивающую как прием прямого сигнала, так и всеракурсный прием переотраженных сигналов; осциллограф 4, с частотой дискретизации, по меньшей мере, в два раза превышающую измеряемую частоту. По записанным осциллограммам сигналов производится расчет с помощью персонального компьютера 5. Излучающая антенна 2 и пассивная широкополосная антенна 3 расположены в БЭК. Генератор импульсов 1, осциллограф 4 и персональный компьютер 5 расположены в специализированном помещении вне БЭК.

Генератор импульсов 1 формирует последовательность зондирующих импульсов (ЗИ) измеряемой частоты, с минимальной длительностью импульса и периодом повторения больше, чем возможное время распространения переотраженных зондирующих импульсов (ПЗИ). При выполнении перечисленных условий ПЗИ будут находиться в «свободной» зоне между ЗИ. Сравнение мощности ЗИ и наиболее мощного ПЗИ позволяет оценить коэффициент безэховости (КБ).

С генератора импульсов 1 подаются прямоугольные синхронизирующие импульсы (СИ) на осциллограф 4 по кабелю 6. Сформированная последовательность ЗИ излучается антенной 2 во внутреннее пространство БЭК и принимается широкополосной антенной 3. Осциллограф 4, выполняя функцию приемника, преобразует принимаемые сигналы в цифровую форму и сохраняет в памяти прибора или внешнем носителе в виде блоков данных. Сохраненные файлы сигналов с ЗИ и шумом подвергают обработке с помощью персонального компьютера 5, на базе которого программными методами реализован модуль реализации определения КБ (на фиг. 1 позицией не обозначено, показано на фиг. 2), предназначенное для преобразования и обработки оцифрованных сигналов, позволяющих измерить отношения сигнал/шум (С/Ш) ЗИ и ПЗИ, и, следовательно, оценить КБ.

Устройство для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере содержит генератор импульсов 1, излучающую антенну 2, пассивную широкополосную антенну 3, обеспечивающую как прием прямого сигнала, так и всеракурсный прием переотраженных сигналов; осциллограф 4 с частотой дискретизации, по меньшей мере, в два раза превышающую измеряемую частоту, модуль реализации определения КБ, реализованный на базе персонального компьютера 5. Излучающая антенна 2 и пассивная широкополосная антенна 3 расположены в БЭК. Генератор импульсов 1, осциллограф 4 и персональный компьютер 5 расположены в специализированном помещении вне БЭК.

Модуль реализации определения КБ предназначен для преобразования и обработки оцифрованных сигналов, позволяющих измерить отношения сигнал/шум (С/Ш) ЗИ и ПЗИ, а следовательно, оценить КБ. Модуль реализации определения КБ изображен на фиг. 2 и состоит из следующих компонентов: блок загрузки 7, позволяющий импортировать входные данные в требуемый для дальнейшей обработки формат; блок расчета порога 8, позволяющий производить расчет порогового значения обнаружения ЗИ по входному сигналу шума; блок возведения в квадрат 9, позволяющий производить математическую операцию над амплитудой записанного сигнала с максимальной мощностью излученных ЗИ; блок сжатия сигнала 10, позволяющий рассчитать энергию излученных импульсов с максимальной мощностью, при каждом шаге дискретизации сигнала; блок определения интервала ЗИ 11, позволяющий обеспечить точное начальное и конечное значение временного интервала приема импульса; блок согласованной фильтрации 12, позволяющий производить циклическую свертку сигналов разной мощности с прямым ЗИ: которая позволяет рассчитать сигнал на выходе линейного фильтра с известной импульсной характеристикой, при измеренном входном сигнале, соответственно на выходе получаем автокорреляционную функцию ЗИ с ярко выраженным максимумом, соответствующим его энергии; блок накопления 13, позволяющий обеспецить некогерентное накопление энергии сигнала для обнаружения слабых импульсов; блок порогового устройства 14, позволяющий сравнение порогового значения обнаружения ЗИ с отношением сигнал/шум накопленной энергии ЗИ при разных излученных мощностях, и позволяющий достоверно произвести обнаружение ЗИ и ПЗИ в смысле определения точного временного интервала этих импульсов ЗИ и ПЗИ на всей длительности сигнала; блок оценки С/Ш ЗИ 15, позволяющий произвести расчет энергии ЗИ относительно шума по известной формуле: где Е_и - энергия прямого ЗИ или ПЗИ, N₀ - мощность шума; блок оценки С/Ш ПЗИ 16, позволяющий произвести расчет энергии ПЗИ относительно шума аналогично блоку 15; блок вычитания 17, позволяющий обеспечить математическую операцию вычитания оцененных значений С/Ш для ЗИ и ПЗИ: K_b=SNR_ПЗИ - SNR_ЗИ, где K_b - коэффициент безэховости БЭК. При этом первый выход блока загрузки 7 соединен с первым входом блока возведения в квадрат 9, второй выход блока загрузки 7 соединен с первым входом блока расчета порога 8, третий выход блока загрузки 7 соединен с первым входом блока согласованной фильтрации 12, первый выход блока возведения в квадрат 9 соединен с первым входом блока сжатия сигнала 10, первый выход блока сжатия сигнала 10 соединен с первым входом блока определения интервала зондирующего импульса 11, первый выход блока определения интервала зондирующего импульса 11 соединен со вторым входом блока согласованной фильтрации 12, первый выход блока согласованной фильтрации 12 соединен с первым входом блока накопления 13, первый выход блока накопления 13 соединен с первым входом блока порогового устройства 14, первый выход блока расчета порога 8 соединен со вторым входом блока порогового устройства 14, первый выход блока порогового устройства 14 соединен с первым входом блока оценки С/Ш ЗИ 15, второй выход блока порогового устройства 14 соединен с первым входом блока оценки С/Ш ПЗИ 16, первый выход блока оценки С/Ш ЗИ 15 соединен с первым входом блока вычитания 17, первый выход блока оценки С/Ш ПЗИ 16 соединен с вторым входом блока вычитания 17.

Устройство для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере работает следующим образом.

С генератора импульсов 1 подаются прямоугольные синхронизирующие импульсы (СИ) на осциллограф 4, по кабелю 6. Сформированная последовательность ЗИ излучается антенной 2 во внутреннее пространство БЭК и принимается широкополосной антенной 3. Осциллограф 4 преобразует принимаемые сигналы в цифровую форму и сохраняет в памяти прибора или внешнем носителе в виде блоков данных. Сохраненные файлы сигналов с ЗИ и шумом подвергают обработке с помощью модуля реализации определения КБ 5, при этом сигнал с ЗИ и сигнал шума подают на входы блока загрузки 7, проводят их обработку в модуле реализации определения КБ 5 согласно схеме, представленной на фиг. 2, и на выходе из блока вычитания 17 получают значение КБ для БЭК.

Способ определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере и устройство для его осуществления предназначены для применения в области радиоэлектронных систем и комплексов навигации и наведения, а именно использования безэховых экранированных камер, воспроизводящих условия распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, и позволяют ускорить процесс калибровки параметров фоно-целевой обстановки в 2-3 раза на рабочей позиции. Также достоинством способа определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере и устройства для его осуществления, в отличие от остальных методов измерения, является возможность оперативного выполнения измерений.

Заявленная группа изобретений предназначена для применения в области радиоэлектронных систем и комплексов навигации и наведения, а именно – для использования безэховых экранированных камер, воспроизводящих условия распространения электромагнитных волн в свободном пространстве. Техническим результатом является повышение точности и увеличение динамического диапазона измерения коэффициента безэховости. Способ определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере основан на использовании импульсного метода, суть которого заключается в излучении широкополосных сигналов, их приеме и обработке во временной и частотной области с использованием прямого и обратного Фурье-преобразований. Устройство для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере содержит излучающую антенну и пассивную широкополосную антенну, расположенные в безэховой камере, и генератор импульсов, осциллограф, персональный компьютер, на базе которого реализован модуль реализации определения коэффициента безэховости, расположенные в специализированном помещении вне безэховой камеры. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере, при котором используют безэховую камеру, излучающую антенну и пассивную широкополосную антенну, расположенные в безэховой камере, генератор импульсов, излучают зондирующие импульсы с помощью излучающей антенны во внутреннее пространство безэховой камеры, принимают зондирующие импульсы с помощью пассивной широкополосной антенны, отличающийся тем, что используют генератор импульсов, осциллограф и персональный компьютер, на базе которого реализован модуль реализации определения коэффициента безэховости, расположенные вне безэховой камеры, с помощью генератора формируют последовательность зондирующих импульсов измеряемой частоты с минимальной длительностью импульса и периодом повторения больше, чем возможное время распространения переотраженных импульсов, с помощью осциллографа преобразуют принимаемые сигналы в цифровую форму и сохраняют в памяти прибора или на внешнем носителе в виде блоков данных, с помощью модуля реализации определения коэффициента безэховости, предназначенного для преобразования и обработки оцифрованных сигналов, позволяющих измерить отношения сигнал/шум зондирующих импульсов и переотраженных, обрабатывают сохраненные файлы сигналов с зондирующими импульсами и шумом, что позволяет оценить коэффициент безэховости.

2. Устройство для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере, содержащее генератор импульсов, излучающую антенну, пассивную широкополосную антенну, обеспечивающую как прием прямого сигнала, так и всеракурсный прием переотраженных сигналов, при этом излучающая антенна и пассивная широкополосная антенна расположены в безэховой камере, отличающееся тем, что устройство для определения коэффициента безэховости в радиочастотной безэховой камере содержит осциллограф с частотой дискретизации, по меньшей мере, в два раза превышающую измеряемую частоту, модуль реализации определения коэффициента безэховости, позволяющее измерить отношения сигнал/шум зондирующих импульсов и переотраженных зондирующих импульсов, за счет чего оценить коэффициент безэховости, реализованное на базе персонального компьютера, при этом генератор импульсов, осциллограф и персональный компьютер расположены в специализированном помещении вне безэховой камеры.