Приемная фазированная антенная решетка Советский патент 1992 года по МПК H01Q3/26 

vj

о

ч|

О

о о

Изобретение относится к гидролокации и может быть использоваться в гидроакусти- чесги станциях для формирования веера лучей N-элементной фазированной антенной решетки. Цель изобретения - увеличение ширины полосы обработанных сигналов и одновременное формирование веера лучей в заданном секторе углов. Устройство содержит N преобразователей 1. первый 8.1 и второй 8.2 квадратурные каналы формирования луча, каждый из которых содержит блок памяти 13 и накапливающий сумматор 15, последовательно соединенные мультиплексор 9, устройство 10 выборки и энало- ro-цифровой преобразователь 11. цель достигается введением в устройство N комплексных демодуляторов 2,блока 5 управления конвейерной обработкой информации. генератора 6 тактовых импульсов и фазового множителя 7, а в каждый из квадратурных каналов 8 формирования луча - буферного запоминающего устройства 12, блока 14 постоянного запоминающего устройства и буферного регистра 16. 4 ил. 00 С

2с IK 2Tije $in. ftjt

Изобретение относится к гидролокации и может использоваться в гидроакустических станциях для формирования веера лучей N-элементной фазированной антенной решетки (ФАР). Для плоской приемной ФАР может формироваться веер лучей либо в уг- ломестной плоскости (гидролокаторы бокового обзора), либо в азимутальной (панорамные гидролокаторы).

Цель изобретения - увеличение ширины полосы обрабатываемых сигналов и одновременное формирование ввера лучей в заданном секторе углов.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предлагаемой приемной ФАР; на фиг. 2 - расположение преобразователей линейной антенной решетки и характеристики направленности одновременно формируемых лучей; на фиг. 3 и 4 - временные диаграммы процессов в различных точкзх приемной ФАР.

Приемная ФАР содержит (фиг. 1) N преобразователей 1, N комплексных демодуляторов 2, управляющие входы которых соединены с входами 3 и 4 первого и второго опорных сигналов соответственно, блок 5 управления конвейерной обработкой информации, генератор 6 тактовых импульсов, фазовый множитель 7, первый 8i и второй 8: квадратурные каналы формирования лу- чэ, каждый из которых содержит мультиплексор 9, устройство 10 выборки, энэлого-цифровой преобразователь 11, буферное запоминающее устройство (ЗУ) 12, блок 13 памяти, блок 14 постоянного запоминающего устройства, накапливающий суммйтор 15 и буферный регистр 16.

Приемная ФАР работает следующим образом.

Рассмотрим плоскую прямоугольную приемную ФАР, у которой все элементы по столбцам (или строкам) соединены вместе. Этот случасй соответствует приведению прямоугольной ФАР к линейной, у которой луч может сканировать лишь по одной из двух координат: азимуту или углу места. Плоская волна (фиг. 2) падает на линейную решетку из N преобразователей, которые расположены равномерно по оси х с интервалом d (обычно половина длины волны, т.е. А/2). Пусть а - угол падения волны, тогда сигнал, принимаемый 1-м преобразователем, будет представлять собой задержанную во времени копию сигнала s(t), принимаемую (1 + 1)-м преобразователем (предполагается отсутствие других сигналов и шумов), на величину

At |sina 7ЈSina

sin a Wl

0)

где с - скорость звука в воде;

fo центральная частота спектра принимаемого сигнала.

Для приема сигнала, приходящего под углом а (в акустике принят термин - компенсация антенны в направлении d), необходимо сформировать сумму

dt,t)-i|:5 t-ii-0bt - s t-(i-oj«;«it..

(2)

В гидролокации начальная фаза приходящих сигналов всегда является случайной. Цифровое формирование характеристик на- правленности (веера лучей) в этом случае для уменьшения объема используемого оборудования целесообразно выполнять на нулевой частоте с использованием синфазной (косинусной) и квадратурной (синусной) со- ставляющих принимаемых сигналов. Чтобы получить алгоритм работы предлагаемой приемной ФАР, перейдем от вещественного s(t) к аналитическому Z(t) сигналу и выде- лим его комплексную огибающую s(t) Z -(t)A(t)exp(J ojb t), тогда

s(t-k At) (i-k At)A(t-k At) шо (t-kA t). Комплексная огибающая сигнала k-ro преобразователя имеет вид

Ak((t-kA OexpUtUok At). (3) Подставляя формулу (3) и выражение (2)f получим

,Mbt,(4)

где Y(a, t) - комплексная огибающая сигнала на выходе приемной ФАР, скомпенсированной в направлении а.

Используя формулу Эйлера, запишем произведение комплексных функций в выражении (4) в алгебраической форме

45 lit-Utle.p(-iatk&tl.Atll-kbtVi 5U-l) {cob J01 it - j , nCJ0 i bl) Ac (I -1 ft.) , Ul + - « SU-1&Us .nco.Ul j Ab(t V ЫЧ«Ц t-Mt-kbl .v« ockbi.(5) 50

Подставляя выражение (5) в формулу (4) и полагая у kub At .получим

VU.D JrZfAeH-O-iU coslp,., 55 : н

Ml-И Hb nlf, ,1 rrS Aslt-ИЫ)

J N ,

COStf,.,- Ac({.-(i-i}bt) ;.,

-(Д)М.КД).(6)

Алгоритм (6) описывает работу приемной ФАР, компенсированной в направлении а. Для получения веера лучей, симметрично расположенных в секторе углов Gfc относительно направления а (фиг. 2, центральный луч заштрихован), вместо коэффициентов cos и sin /ц-1 в алгоритме (5 следует использовать другие коэффициенты

/

. 5;п(, « N, .,(«)-6ip(()j) |т/н,2,...-р

MtN,

CD где М - число формируемых боковых лучей;

m - номер бокового луча (положительный в правом полусекторе и отрицательный в левом), отсчитанный от центрального луча.

Сигналы с выходов преобразователей 1 приемной ФАР поступают на комплексные демодуляторы 2. на выходах которых выделяются синфазная и каадратурная компоненты сигналов каждого из преобразователей. На управляющие входы комплексных д мо/; лхторов с клемм 3 и 4 поступают опорные напряжения с частотой, равной центральной частоте спектра принимаемых сигналов, и сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90 . Синфазные (косинусные) компоненты с первых выходов комплексных демодуляторов 2 поступают на N входов аналогового мультиплексора 9i. а квадратурные (синусные) компоненты с вторых выходов комплексных демоду.лято- ров 2 - ьа N входсзаналогового мультиплексора §2- Далее обработка в квадратурных каналах производится идентично Рассмотрим косин/сный канэл.

Работа приемной ФАР поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 3 и 4, на которых для упрощения рисунков принято M-N-4, и цифровые сигналы, представленные кодами, условно показаны переведенными в аналоговую форму,

На фиг. За показан примерный вид сигнала с выхода первого преобразователя приемной ФАР, на фиг. Зб-д - синфазные компоненты сигналов всех четырех преобразователей. Мультиплексор 9i опрашивает первые выходы N комплексных демодуляторов 2 за время, меньшее, чем интервал То дискретизации квадратурных составляющих

Тсг2/КдР.(8) где F - ширина полосы используемых сигналов;

Кд 2 - коэффициент дискретизации. Последовательный опрос выходов квадратурных демодуляторов приводит к появлению временных задержек At между 5 сигналами квадратурных компонент смежных преобразователей ФАР

At -To/(N-1).(9) т.е. реализуется задержка сигналов Ac(t-k A t) и As(t-k A t), где . 1. 2, 3 10 (согласно (6)). Далее отрезки реализаций. соответствующие сигналам преобразователей 21-24 (фиг. Зе), поступают на устройство Ю выборки, которое управляется импульсами с второго выхода блока 5 управления, 5 следующими также с периодом At (фиг. Зж). и осуществляют дискретизацию поступающих на него сигналов и запоминание выборочных значений (фиг. Зз).

Аналого-цифровой преобразователь 111 0 запускается импульсами, поступающими с третьего выхода блока 5 управления (фиг, Зи) и к моменту окончания этих импульсов завершает преобразование выборочных значений (фиг. Зз) в цифровые коды, кото- 5 рые с периодом A t (согласно (9)) запоминаются в буферной запоминающем устройстве 12i емкостью N слсв. Мультиплексор 9i и буферное ЗУ 121 работают синхронно, так как управляются одной шиной 0 адресов, поступающих с первого- выхода блока 5 управления (фиг. Зк). На вход Считывание/запись буферного ЗУ 12i с четвертого выхода блока 5 управления поступают сигналы записи и считывания 5 (фиг. Зл).

На интервале времени (to. 14) (фиг. Зл) запись ос,ил&с-бляе с« путевым уровнем сигнала управления, на интервале времени (u, To) сигнал управления рэвень единице 0 и производится считывание информации из буферного ЗУ 12). Считывание из этого ЗУ выполняется со скоростью в rJ раз больше, чем запись, поэтому на интер ле времени (t4, TO) происходит считывание кодов еь.бо- 5 рок, накопленных на интерааяе (to, 14), адреса на этом интервале также изменяются в N раз чаще (фиг. Зк). На интервале времени (ц. То) блок 13i памяти работает в режиме записи, сигнал Запись/считывание поступает 0 с пятого выхода блока 5 управления (фиг. 4м, запись также осуществляется нулем), адреса поступают по шине n(n log2N) младших разрядов шестого выхода блока 5 управления (фиг. 4н). Таким образом, на ин- 5 тервале (w, To) выполняется перезапись кодов выборок из буферного ЗУ 12i в блок 13i памяти, емкость которого также составляет Ыслов. На интервале(То, )буферное ЗУ 12i переводится в режим записи и производит

запись следующей группы кодов N косинусных составляющих сигналов преобразователей ФАР.

На интервале (То, la) блок 13i памяти переводится в режим считывания (фиг. 4м) и на этом интервале вся записанная информация (N отсчетов) считывается М раз (по числу формируемых лучей), В описываемом примере формируется лучей из выборок, в этом случае на адресной шине информация сменяется MNH6 раз (фиг. 4н, интервал (То, te)).

Аналогичные процессы происходят и в канале обработки синусных составляющих сигналов преобразователей приемной ФАР. Таким образом, на выходах блоков 13i (фиг. 4о) и 13 памяти имеем циклически повторяющиеся (М раз) последовательности кодов отсчетов квадратурных составляющих сигналов преобразователей ФАР, соответствующие предыдущие интервалу (to. To) дискретизации.

В гидролокационных антенных решетках число преобразователей N обычно невелико и не превышает нескольких десятков (для строчной или столбцов ФАР), ширина спектра используемых сигналов не превышает нескольких килогерц). В этом случае целесообразно перейти от параллельного выполнения операций алгоритма (6) к последовательному, что дает возможность макси- мально использовать высокое быстродействие современной цифровой элементной базы с пропорциональным (числу N) упрощением устройства. На формирование выходных отсчетов квадратурных составляющих одного из лучей отводится время То/M. За это время выполняются (для одного луча) все операции алгоритма (6). Операции умножения и сложения в квадратных скобках алгоритма (6) выполняются фазовым множителем 7. который содержит четыре перемножителя, сумматор и вычита- тель. На его первый и второй вхолы соответственно поступают циклически повторяющиеся последовательности кодов отсчетов косинусной (фиг. 4о) и синусной составляющих сигналов преобразователей ФАР, на третий и четвертый входы - коды кoэффv циeнтoв - i(m) (фиг 4р) и - i(m) с выходов блоков 14i и 14j постоянного запоминания, которые управляются шиной адресов, поступающих с шестого блока 5 управления (фиг. 4н). Весовые коэффициенты выдаются в таком порядке: N коэффициентов первого луча, затем N коэффициентов второго луча и т.д. В нашем примере косинусные коэффициенты первого луча произвольно выбраны такими: 1, -2.

2, -1. второго луча: 2, 1. -1, -2; третьего луча: -1, 2, 1, -2: четвертого луча: 1, -2. -2. 1 (фиг. 4п), на (М+1)-м такте выдаются нули (интервал (t4, То), фиг. 4п).

На фиг. 4р показано частичное произведение Ac(l-1)cos уэ|- 1. вычисленное для отсчетов сигналов (фиг. Зз) и выбранных значений коэффициентов всех четырех-лучей. На фиг. 4с показана диаграмма процесса на косинусном выходе фазового множителя 7, на фиг. 4т - на синусном выходе фазового множителя 7. соответствующая выражениям в квадратных скобках алгоритма (6), вычисленная последовательно для

всех четырех лучей (в нашем примере) с использованием весовых коэффициентов, определяемых формулами (7).

Коды отсчетов процессов с выходов фазового множителя 7 поступают на вход накапливающих сумматоров 15i косинусного канала и 15 синусного канала, которые реализуют операцию суммирования алгоритма (6). Сложение каждого нового отсчета с уже хранящейся суммой синхронизируется

импульсами, поступающими с восьмого выхода блока 5 управления (фиг 4у) на вход Запись накапливающего сумматора. После сложения N последовательно поступавших отсчетов содержимое накапливающих

сумматоров 15(фиг. 4ф, х) переписывается в буферные регистры 16) фиг. 4ч, щ) импульсов, поступающим на вход Запись буферных регистров 16с седьмого выхода блока 5 управления (фиг. 4ц), а затем накзпливающие сумматоры 15 сбрасываются в нуль импульсов сброса (фиг. Зж), поступающим на вход Сброс с второго выхода блока 5 управления.

Таким образом, в соответствии с алгоритмом (б) на выходах буферных регистров 16 с точностью до постоянного множителя 1 /N сформированы квадратурные составляющие отклика первого луча (интервал времени (ts. te). фиг. 4ч, щ). затем второго

(интервала (te. t)), третьего (интервал (п. te)) и четвертого (интервал (ts,2To)). Последовательная во времени выдача сигналов различных лучей весьма удобна при использовании, например, телевизионных

мониторов для отображения гидролокационной информации. В этом случае вдоль строки отображаются выходные сигналы веера лучей, а пауза в выходных сигналах (интервал (То. ts). фиг. 4щ) может

использоваться для обратного хода электронного луча индикатора монитора.

Известно, что если луч антенной решетки формируется путем введения временных задержек в сигналы преобразователей, огрзниченняна ширину полосы сигнала принципиально отсутствуют. Бели луч знтенной решетки формируется при помощи фззов- ращэтелей, то ширина полосы частот (в процентах) примерно равмз ширине луча (в градусах). В предлагаемой приемной ФАР использован комбинированный метод фор- мировгния веера лучей в заданном секторе углов: антенная решетка в направлении биссектрисы заданного сектора компенсируется введением временных задержек составляющие сигналов преобразователей, обусловленных последовательным во времени Опросом преобразователей, реализуемым мультиплексорами, далее веер лучей относительно направления компенсации (биссектрисы сектора) формируется фазовым методом. В наихудшей ситуации, когда сектор обзооз равен удвоенному углу компенсации, отсчитанному относительно нормам к ФАР. угол наибольшего отклонения луча в предлагаемом устройстве в два раза меньше максимального улз отклонения луча (при обзоре того же сектора) в устройствах с фэзовращзтелями, что позволяет вдвое увеличить ширину полосы сигналов, обрабатываемых ФАР,

С помощью предтагаемой приемной ФАР может бить сформирован веер лучей, лежащих в се :торе слева с нормами (фиг. 2). Л iQ этгго изменяется направление опороса мультиплексоров 9 и величины коэффициентов, хранимых е блоках 14 постоянного запоминающего устройст ва, причем при оп- Pc,. ю -: : и.иемтсв по . Лым П) знак перед углом а изменяется на противоположный. Л/ - и веера левого и правого секторов могут ЕЫ-- ИСЛЯТЬСЯ во времени последовательно в течении интервала дискретизации То.

Формула изобретения Приемная Фазированная антенная ре- шет a ccv.ep- Oi a. Гм преобразователей, первый и второй кзздратурнь-е каналы формирования луча, каждый из которых содержит блока памяти и накапливающий сумма-тор, последовательно соединенные мультиплексор, устройство выборки и ана- лого-цифроеой преобразователь, отличающаяся тем, что. с целью увеличения ширины полосы обрабатываемых сигналов и одновременного формирования веера лучей в заданном секторе углов, введены N комплексных демодуляторов, блока управЛГ iil УЯ t

::;fu

генератор тактовых импульсов и разовый множитель, а в каждой из квадратурных каналов формирователя луча - буферное апо- 5 минающее устройство, блок постоянного запоминающего устройства и буферный регистр, при этом выход каждого из N преобразователей соединен с входом соответствующего комплексного демодуля10 тора, первый выход которого соединен с соответствующим входом мультиплексора первого квадратурного канала, второй выход - с соответствующим входом мультиплексора второго квадратурного канала.

15 первый и второй управляющие входы комплексных демодуляторов являются соответственно входами первого и второго опорных сигналов, выход аналого-цифрового преобразователя соединен через буферное запо0 минающее устройство с блоком памяти, выход которого соединен с ссответствую- щим входом фазового множителя, первый и второй выходы которого соединены с входом соответствующего накапливающего

5 сумматора, выход которого соединен с входом буферного регистра, выход которого является выходом соответствующего квадратурного канала, первый блока управления конвейерной обработкой ин0 формации соединен с адресными входами мультиплексоров и буферных запоминающих устройств, второй выход соединен с управляющим входом устройств выборки и

8 О ДО - СбОСС И м :-.Г -ft С .ммзтс15 ров, третий выход - с входом Запуск ана- лого-цифровых преобразователей, четвертый выход - с Запись, считывание буферных загоминающих устройств. пятый выход - с входом Запись/счгтыза0 ние блоков памяти, а шестой выход сзсди- нен с адресными в одэми блоков ла - - и и

блОКОВ ПОСТОЯННЫХ .: .1 -Гт, пойстр. Rhi - с. /ч .:.. - - t.1 7 г ; - гс-- - ственно с третьим и че- ергым Ех;-дг;ми

5 фазового множителе пг. и i -гм .-.. е Е-.Э- ды блоков памяти являются входами г, младших разрядов (n iC 3:K.:l , гс ., .з блока управления конвейерной обработкой информации, седьмой выход которого сое0 динен с входом Запись буферных регистров, а восьмой выход - с входом Запись накапливающих сумматоров, вход блока управления конвейерной обработкой информации подключен к выходу генерзтора

5 тактовых импульсов.

----

/,

/

----т--Г

/ /

-1 .civ-,- /

toftf

Н

--ш