Способ определения направлений прихода N плоских волн и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в различных радиолокационных системах.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности при определении направлений прихода плоских волн различной интенсивности,

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлгаемый способ; на фиг.2 - структурна схема блока взвешивания; на фиг.З - структурная схема блока преобразования сигналов.

Устройство для определения направлений прихода N плоских волн содержит N+1 антенных элементов 1, N+1 предварительных усилителей 2, блок 3 взвешивания, блок 4 преобразования сигналов (БПС),гетеродин 5, аналого- цифровые преобразователи (АЦП) 6, вычислительный блок 7, первый 8 и второй 9 блоки оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), индикатор 10

Блок 3 взвешивания содержит N-1 рядов электронно-управляемых фазовращателей 11, блоков 12 вычитания.

Блок 4 преобразования сигналов (БПС) содержит смесители 13, перемножители 14, фильтры 15 низкой частоты (ФНЧ), блоки 16 суммирования и делитель 17 на два.

Ъ Способ определения направлений

прихода N плоских волн и предлагаемое устройство основаны на следующих соотношениях. Пусть в дальней зоне антенной решетки АР в одной полуплоскости от нее имеется N точечных источников ичлучения, имеющих различное угловое положение относительно АР. Среда распространения однородна, В уткой полосе частот на

X

0

5

интервале времени Ј0, Т (uf Т 1) АР принимает сигналы источников, временная структура которых неизвестна. Расстояние между соседними элементами АР d не более /2. Длина АР такова, что за время прохождения сигнала вдоль.АР огибающая сигнала почти не меняется. Собственные шумы элементов АР есть независимые гауссов- ские процессы с равномерным спектром в полосе наблюдения. Тогда наблюдаемые сигналы можно представить в ви- 0 де вектор-столбца

X(t) S(cf) F(t) + N(t), t e О, Т, где X (t) - сигнал на выходе 1-го

элемента АР, ,1,2,..., N+1;

FR(t) - сигнал, наводимый k-м источником излучения в первом элементе АР, k 1,2,...,N;

SK - угол между осью АР и направлением на k-и источник излучения; Cf - вектор фазовых сдвигов tf (cf,,c,...,qO;

7 9Т

Чк ft . d.cosQK;

S(() - матрица размера (to+l)N, k-й столбец которой имеет яип С1 fi(t gJ1

ВИД (, 1 , С , t , . . . ,

)T;

5

0

5

0

5

GQ - мощность собственного

шума в элементе АР. Функция правдоподобия в данном случае имеет вид

Ltf.fcO.)/) - ()-AtT(M,

««pf-M T( ||x(t) - s(if) -(t)fdt). с о i

Для получения максимально правдоподобных оценок необходимо найти

Cf argcf min W (cj) R W((f) , (1)

fa.b

0K arccos (-TJ,--) , k 1,2,...,N.

Здесь

W((f) - вектор комплексного взвешивания сигналов АР, причем

V э-1

WK(if) - (-1)

N-fi- k Mti-K

Z Z...

г

xг Nti-к,.TI .

x 21 Z Cf;EUr

(Mt1-K N-n-Ke l

N+i ii-l U-l

с ( ZTIZ-Z ...

;,-. .

. Г .N.K i.trt/j

x; Slexpj-jZ el ) } «N+,. L e-« / x

- ковариационная матрица наблюдаемых сигналов

- - - J

lt(t). x(t)dt;

знак комплексного сопряжения и транспонирования.

Предложенный способ реализует найденную процедуру максимально правдоподобного оценивания угловых направлений прихода N плоских волЪ.

Работа устройства основана на процедуре покоординатного поиска экстремальной точки (минимума) выражения (1), которое может быть представлено в виде

I g .

- ,

где g W((f)/C G - e ; G-(0. (-I) Г.,...,

N-

,

( (T, {)

, 1) ;

T A

В (G., С},...,СП, 1, 0) GT

f - знак сдвига элементов вектора

на один элемент влево. Взяв производную I по С(ц , получим p 8l J.- Z4-Z,} где Z a

b - ( + );

Z2 Z5 .

Приравняв производную к нулю, получим

/Z/ sin(arg Z +(N) Im|Zz- Z3j.

Эта функция от Cfy имеет один минимум и один максимум. Так как

a Z - Ъ1Zj;

IIGH1 ;

СЬ,

Z, Zj, Z от tf „ не зависят, а /Iff/ f то для Јого, чтобы экстремум был минимумом, должно выполнять- ся условие j(j + arg . Отсюда имеем

arc sin ( - arg Z.

mipj Л |

Подставив найденное вместо Lf, можно повторить определение нового по аналогичной процедуре и подставить его вместо и т.д. до (ffl-i Затем вновь определить Ц1 $min и подставить его вместо Lf, и т.д. до 5 тех пор, пока I, или, что то же, W (tp) R W(() не станет минимальным. Блок 3 взвешивания обеспечивает формирование сигналов U В .X(t) и

0

U (t).

В

Блок 4 преобразования сигналов

формирует сигналы

ь - -Г -т 1 (

-|- ( + );

+ ФВ

т

dt

V e JlJVr - J U6- B dt,

Вычислительньпг блок 7 по заданным , i 1,2,...,N-1 определяет вектот- ры G и В. При этом вектор G вычисляется простой итеративной процедурой

5

0 7

Ео (0,0,...,0,1); ; Е( Е0- (E0f) rj(f ;

ill, Ё; - (Е;{) №, ,2,. N-2;

-J4w-i

Кроме того, вычислительный блок ычисляет Е а //G//S

arcsin

G - EN, - EN.2 - (Ещ.г) I

вычисляет величины

1 Z a-Zi - Ъ-23;

arcsin ({lf--) - «8 Z

Устройство работает следующим 5 образом.

ОЗУ 9 обнуляется. В ОЗУ 8 записываются m-разрядные коды фазовых сдвигов блока 3 взвешивания, соот0 ветствующие равномерному начальному заданию оцениваемых угловых направлений 0;, i 1,2,...,N-1. Коды фазовых сдвигов подаются на блок 3 взвешивания, где устанавливаются фазовые

е сдвиги электронно-управляемых фазовращателей 11 и на вторые входы вычислительного блока 7. На интервале времени ГО, xj сигналы антенных элементов 1, усиленные предварительными

усилителями 2 и взвешенные блоком 3 взвешивания, подаются с первого и второго выходов блока 3 взвешивания на соответствующие первые входы блока 4 преобразования сигналов, на выходе которого формируются аналоговые сигнапы b, Re , I За тельный блок /

ото время вычислительный

осуществляет расчет элементов векторов г

G и В по итеративной процедуре и вычисляет величины а //С//г и Z, Re ,} , После этого от блока синхронизации (на фиг.1 не показан) подается синхро- импульс на АЦП 6 и аналоговые сигналы величии b, Re |Z2Ta преобразуются в цифровую форму и подаются на первые входы вычислительного блока 7, который рассчитывает Z a - b Z, и m-разрядный код (у# . Этот код подается в ОЗУ 8 на N-1 кодов и ОЗУ 9 на N кодов и записывается на место кода Ср( . Затем указанная процедура повторяется и найденный новый код СР| записывается в ОЗУ 8 и 9 на место кода и т.д. Рассчитанный после этого аналогичной процедурой код ср записывается в ОЗУ- 8 на место кода Ц, , а в ОЗУ 9 на мес то кода Lpjj . Следующий рассчитанный CD N записывается в ОЗУ 8 на место СО , а в ОЗУ 9 на место Cf, и т.д.

Коды фазовых сдвигов с ОЗУ 9 подаются на соответствующие входы индикатора 10, где осуществляется расчет углов 0; по кодам J и их индикация.

Таким образом, взвешивание принятых антенными элементами сигналов при управляющих напряжениях W(Q;) и алгоритме работы вычислительного блока 7 в соответствии с выражением (1) и последовательность выполнения операций для минимизации мощности выходного сигнала антенной решетки, реализованные устройством, обеспечивают повышение разрешающей способности при определении направлений прихода плоских волн различной интенсивности.

Формула изобретения

1.Способ определения направлений прихода N плоских волн, заключающийся в том, что принимают совокупност сигналов от N источников излучения (N+1)-элементной антенной решеткой,

задают сигналы оцениваемых угловых направлений $, формируют вектор управляющих напряжений W(©}) весовых коэффициентов, взвешивают принятые сигналы при управляющих напряжениях W(6{), суммируют взвешенные сигналы, измеряют мощность суммарного сигнала, запоминают мощность суммарного сигнала, отличаю - щ и и с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности при определении направлений прихода плоских волн различной интенсивности, одновременно задают сигналы всех N оцениваемых угловых направлений © (,2,.,.,N), вектор управляющих напряжений W($ ,) весовых коэффициентов формируют в соответствии с выражением

М+1-К У

-1) C-21-2J.

г1

N

27

. 21 exp

NtHoNtl-k

™- d cos9; ,

N-H 1гг1 i,-l

с (...:

K i i,

tN+1-K т чЈ 4

. м r к/Zexp {-j

N+ -luN-M-k

fHl-K

где d - шаг решетки; A - длина волны;

W«- k-й элемент вектора управляющих напряжений W(6;) весовых коэффициентов,

измеряют и запоминают мощность суммарного сигнала, для всех N аценивае- мых угловых направлений G|, одновременно задают следующие сигналы всех N оцениваемых угловых направлений |, измеряют мощность суммарного сигнала для всех К оцениваемых угловых направлений 0, , сравнивают измеренные мощности суммарных сигналов и запоминают минимальную мощность суммарного сигнала и соответствующие ей сигналы всех N оцениваемых угловых направлений 0; до тех пор, пока мощность суммарного сигнала не станет минимальной., при этом соответствующие ей сигналы всех N оцениваемых угловых направлений 9; и являются направлениями прихода N плоских волн.

2,Устройство для определения направлений прихода N плоских волн, содержащее N+1 антенных элементов, выходы которых через соответствующие

предварительные усилители соединены с соответствующими входами блока взвешивания,выходы которого соединены с соответствующими- входами процессора, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами блока взвешивания, отличающееся тем, что процессор состоит из гетеродина, блока преобразования сигналов, аналого-цифровых преобразователей, вычислительного блока, оперативных запоминающих устройств, индикатора, при этом синфазный и квадратурный выходы гетеродина соединены с первым и вторым входами блока преобразования сигналов, три выхода которого через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с соответствующими первыми входами вычислительного бло- ка, выход которого соединен с входами первого и второго блоков оперативных запоминающих устройств, выходы первого блока оперативного запоминающего устройства соединены с соответствующими вторыми входами вычислительного блока и являются выходами процессора, выходы второго блока оперативного запоминающего устройства соединены с соответствующими входами

индикатора, при этом вторые входы первого и второго блоков оперативных запоминающих устройств являются установочными.

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - повышение разрешающей способности при определении направлений прихода плоских волн различной интенсивности. Устройство, реализующее способ определения направлений прихода N плоских волн содержит (N+1) антенных эл-тов 1, (N+1) предварительных усилителей 2, блок 3 взвешивания, блок 4 преобразования сигналов, гетеродин 5. АЦП 6, вычислительный блок 7, блоки 8 и 9 оперативных запоминающих устройств и индикатор 10. Данные способ и устройство реализуют процедуру максимально правдоподобного оценивания угловых направлений прихода N плоских волн. Работа устройства основана на процедуре покоординатного поиска экстремальной точки (минимума) заданного выражения. Цель достигается за счет обеспечения взвешивания принятых антенными эл-тами 1 сигналов при заданных управляющих напряжениях и алгоритме работы вычислительного блока 7 в соответствии с заданным выражением, а также за счет последовательности выполнения операций для минимизации мощности выходного сигнала антенной решетки. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Фиг. 2

BinQrt

CMCJrt

e&

/mfcJ