Способ определения дальности со спектральной обработкой сигнала Советский патент 1993 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в ближней радиолокации для определения дальности до объекта.

Цель изобретения - повышение чувствительности и улучшение энергетических характеристик при сохранении разрешающей способности.

На фиг. 1-4 приведены примеры выполнения устройства, реализующего предложенный способ (фиг.1), варианта устройства, реализующего предложенный способ (фиг.2), блок синхронизации (фиг.2), блок синхронизации (фиг.З), блок коммутации (фиг.4), на фиг.5 - эпюры, поясняющие предложенный способ.

Устройство определения дальности, реализующее предложенный способ, содержит генератор 1 стационарного сигнала, направленный ответвитель 2, передающую антенну 3, приемную антенну 4, усилитель 5, блок сложения, многоканальный развет- витель 7, блок 8 анализаторов спектра, блок 9 синхронизации, сумматор 10, фильтр 11

верхних частот, регистрирующий бл ок 12 и вычислитель 13, вариант устройства определения дальности, реализующего предложенный способ, содержит генератор 14 стационарного сигнала, направленный ответвитель 15, передающую антенну 16, приемную антенну 17, усилитель 18, блок 19 сложения, многоканальный разветвитель 20, блок 21 анализаторов спектра, блок 22 синхронизации, сумматор 23, блок 24 фильтров, блок 25 коммутации, первый и второй регистрирующие блоки 26,27 и вычислитель 28, блок 9 (22) синхронизации содержит N+1 первых источников 29 управляемого напряжения, N первых компараторов 30, N вторых компараторов 31, N вторых источников 32 управляемого напряжения, усилитель 33 и генератор 34 пилообразного напряжения, блок 25 коммутации содержит задающий тактовый генератор 35, делитель 36 частоты, генератор 37 ступенчатого напряжения, регистр 38 сдвига и К усилителей 39.

Способ определения дальности со спектральной обработкой состоит в следующем,

О

ы

00

ы

При суммировании принятого и опорного сигналов получают сигнал с периодической изрезанностьюспектра, по периоду которой определяют дальность цели. Периодическая изрезанность спектра суммарного сигнала является результатом интерференции принятого и опорного сигналов и представляет собой частотную функциональную зависимость. Чтобы получить информацию о дальности цели, необходимо преобразовать частотную функциональную зависимость во, временную. Для этого параллельно и синхронно осуществляют несколько последовательных анализ ов спектра в различных частотных диапазонах. Тогда в полосу пропускания фильтра попадут сигналы разностной частоты, соответствующие различным участкам спектра исследуемого сигнала, каждый из которых определяется одним из диапазонов спектрального анализа. Если же указанные диапазоны определить так, чтобы разность частот между крайними нижними частотами соседних диапазонов была равна или кратна разности частот между соседними максимумами спектра исследуемого сигнала с периодической изрезанностью спектра, как это пока- .зэно на фиг.56 и фиг.бв, то тогда сигналы огибающих, соответствующие различным диапазонам анализа, будут отличаться по фазе друг от друга на 2 п т, где т 1,2... - целое число. При суммировании также сигналы сложатся в фазе, а значит, амплитуда . результирующего сигнала огибающей, являющегося суммой всех сигналов огибающих, в N раз увеличится по сравнению с известным способом. Здесь N - число дополнительных диапазонов спектрального анализа. Разрешающая способность не изменится, но теперь для определения дальности цели дополнительно используют еще N участков спектра. Соответственно в N раз увеличивается доля энергии сигнала, используемая для получения информации о цели,

Условие суммирования в фазе будет выполняться также и для сигналов, периодическая изрезанность спектра которых кратна периодической изрезанности исследуемого сигнала (фиг.Бв). Поэтому в спектре результирующего сигнала будут присутствовать кратные частоты, соответствующие исследуемой и кратной ей дальностям. Для однозначного определения наличия цели из результирующего сигнала выделяют сигналы дальности, имеющие указанные кратные частоты. Измеряют амплитуду каждого сигнала дальности и определяют наличие или отсутствие цели на исследуемой или кратной ей дальностях по амплитуде соответствующего сигнала дальности. При этом уровень мощности принятого сигнала, достаточный для регистрации цели, определится как P min/N, где Р min - мощность принятого

сигнала, достаточная для регистрации цели в известном способе. Таким образом, кроме улучшения энергетических характеристик устройства, реализующего предложенный способ, достигают значительного повышения чувствительности. Динамический диа- пазон принятого и опорного сигналов, при котором наблюдается их интерференция, также расширяется в 2N раз, что обеспечивает повышение надежности работы устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство определения дальности со спектральной обработкой работает следую- щим образом.

На выходе генератора 1 стационарного сигнала получают широкополосный шумо- подобный сигнал, который подают на вход направленного ответвителя 2, где его разделяют на зондирующий и опорный сигналы.

Зондирующий сигнал с выхода направленного ответвителя 2 подают на передающую антенну 3, посредством которой его излучают в сторону цели. Отраженный от цели сигнал принимают приемной антенной 4 и

направляют затем на вход усилителя 5, где его усиливают до уровня мощности, необходимого для дальнейшей обработки сигнала. Принятый и усиленный сигнал подают на первый вход блока 6 сложения, на второй

вход которого одновременно подают опорный сигнал с выхода направленного ответ- вителя 2. В результате сложения принятого и опорного сигналов на выходе блока б сложения получают суммарный сигнал, спектр

которого имеет периодическую изрезанность и определяется формулой

Ф(Г) Фо(0 1 + COS

(1)

45

где Фь(т) - спектр зондирующего сигнала.

Чтобы частотную функциональную зависимость вида (1) преобразовать во временную функциональную зависимость,

0 необходимо осуществить спектральную обработку суммарного сигнала. Для этого суммарный сигнал с выхода блока 6 сложения направляют на вход многоканального раз- ветвителя 7, где его разделяют на N равных

5 частей, соответствующих N частотным диапазонам спектральных анализов, Получен- ные N сигналов подают на N входов блока 8 анализаторов спектра, где синхронно в различных частотных диапазонах производят N спектральных анализов суммарного сигнала. Для предлагаемой спектральной обработки необходимо, чтобы разность частот между крайними нижними частотами сосед- цу диапазонов была равна или кратна отношению C/2R, где R - исследуемая дискретная дальность. Причем для исследования других дискретных дальностей изменяют разность частот между крайними частотами соседних диапазонов. Чтобы реализовать такую спектральную обработку, требуется N управляющих сигналов для определения диапазона каждого из N анализаторов спектра (на фиг. 1,2 не показаны) блока 8 анализаторов спектра, а также сигнал, позволяющий синхронизировать эти анализаторы спектра. Необходимые управляющие сигналы получают в блоке 9 синхронизации, N выходов которого подключены к управляющим входам блока 8 анализаторов спектра, при этом на каждый анализатор спектра подают одновременно сигнал развертки по частоте и управляющий сигнал, определяющий диапазон анализа. В результате такого спектрального анализа на выходе каждого анализатора спектра получают сигнал огибающей спектра соответствующего диапазона спектрального анализа. Эти N сигналов огибающих с выходов блока 8 анализаторов спектра подают на входы многоканального сумматора 10, на выходе которого.получают результирующий сигнал, являющийся суммой всех сигналов огибающих. Поскольку частотные диапазоны анализаторов спектра блока 8 анализаторов спектра смещены друг относительно друга указанным образом, то и сигналы огибающих спектра также будут смещены по фазе друг относительно друга на величину

Дрп 2л:(

2R Afa

-m)

где m - порядок, кратности;

fa - разность частот между крайними нижними частотами соседних диапазонов; m 2RAfa/c.

Поэтому результирующий сигнал будет иметь следующий вид:

М N, ATT R

U(t) 2 2 Amn cos f 1 (St

m 1n + ПДГа) ,(3)

где.5 - скорость развертки по частоте ана лизаторов спектра, Гц/С;

п - номер диапазона спектрального анализа;

Агпп - амплитуда сигнала огибающей спектра.

Из формул (2) и (3) следует, что сигналы огибающих, для которых выполняется усло- 5 вне C/2Rm Afa (4), суммируют в многоканальном сумматоре 10 в фазе и, таким образом, усиливают в N раз, а сигналы, соответствующие прочим дальностям, суммируют со случайной фазой, что равносильно

10 ослаблению сигнала. В итоге результирующий сигнал будет содержать только те сигналы, частоты которых соответствуют исследуемой дальности и дальностям, кратным ей. Полученный результирующий сиг15 нал подают на вход фильтра 11 верхних частот, где отсекают паразитные низкочастотные составляющие, возникающие при несинфазном сложении сигналов огибающих. Выделенный высокочастотный сигнал

20 подают на вход регистрирующего блока 12, в качестве которого можно использовать низкочастотный анализатор спектра или ча- стотометр. При помощи регистрирующего блока 12 измеряют частоту f высокочастот25 нрго сигнала. Результаты измерения подают на вычислитель 13, где дальность цели определяют по формуле R fc/2S, после чего изменяют разность частот между

30 крайними нижними частотами соседних диапазонов спектрального анализа при помощи блока 9 синхронизации и повторяют все вышеуказанные операции, исследуя при этом другую дальность.- ,

35 Полученный результирующий сигнал подают на вход блока 24 фильтров, где при помощи полосовых фильтров выделяют сигналы, соответствующие различной кратности исследуемой дальности R. Частоты выделен40 ных сигналов дальности будут также кратны и равны fqm - 2m RS/c, где m 1.2...М - порядок кратности. Сигналы дальности с выхода блока 24 фильтров последовательно подают на первый регистрирующий блок 26,

45 где измеряют амплитудусигнала дальности и определяют наличие или отсутствие цели на исследуемой и кратных ей дальностях по амплитуде соответствующего сигнала дальности. При этом р наличии цели судят по

50 превышению амплитуды сигнала дальности определенного уровня амплитуды, который устанавливают экспериментально. Сигналы измерения со второго регистрирующего блока 26 подают на вычислитель 28, куда

55 одновременно с блока коммутации 25 подают сигналы о разности частот между крайними нижними частотами соседних диапазонов спектральных анализов и о подключении к регистрирующему блоку 15 того или иного полосового фильтра (на фиг.2 не

показаны) блока 14 фильтров. Дальность цели при этом определяют по формуле

R

где Afar - разность частот между центральными частотами полосовых фильтров блока 14;

Д fai - разность частот между крайними нижними частотами соседних диапазонов, соответствующая исследуемой дальности;

К - номер фильтра, при включении которого зарегистрировано наличие цели и который определяет кратность т, устраняя связанную с этим неоднозначность в (3) и (4).

Причем для этого измерение амплитуды сигналов дальности осуществляют, последовательно подключая полосовые фильтры блока 14 фильтров как к выходу многоканального сумматора 10, так и ко входу первого регистрирующего блока 26. Такое последовательное подключение производят при помощи сигналов, которые получают в блоке 16 коммутации, Блок 14 фильтров представляет собой набор полосовых фильтров, вход каждого из которых через электронный ключ подключен к входу блока, а выход - к выходу блока (на фиг.2 не показано). Управляющие входы электронных ключей подключены к блоку 16 коммутации, с которого и поступают сигналы, открывающие или закрывающие электронные ключи. При .открывании электронного ключа подключают соответствующий полосовой фильтр блока 14 фильтров к первому регистрирующему блоку 26.

Для более точного измерения дальности, в случае, если цель обнаружена на исследуемой или одной из кратных ей дальностях, измеряют частоту fg сигнала дальности при помощи регистрирующего блока 12 и вычисляют дальность по формуле

R fgc/2S

Введение дискретного.и непрерывного измерения дальностей позволяет сочетать высокую скорость исследования всего диапазона дальностей на наличие цели первого метода с высокой точностью второго.

После того, как определено наличие или отсутствие цели на исследуемой и кратных ей дальностях, исследуют на наличие цели область другой дискретной дальности Ri, a также дальностей, кратных ей. Для этого изменяют разность частот Afa между крайними нижними частотами соседних диапазонов так, чтобы соотношение Afa C/2R

выполнялось уже для дальности RI, после чего повторяют все вышеуказанные операции.

Разность частот между диапазонами из5 меняют при помощи сигналов, которые вырабатывают в блоке 9 синхронизации, который работает следующим образом.

При помощи N+1 источников 29 управляемого напряжения устанавливают ниж10 ние границы частоты для N диапазонов спектрального анализа в блоке 8 анализаторов спектра. При этом между соседними диапазонами должна быть определенная разность частот, которую для исследования

15 различных дальностей, кроме того, необходимо изменять. Поскольку зависимость частоты гетеродина (на фиг.1, 2 не показан) каждого анализатора спектра блока 8 анализаторов спектра заранее известна, то за20 дача сводится к выработке в блоке 9 синхронизации управляющих сигналов, разность напряжений между которыми соответствует разности частот между соседними диапазонами спектрального анализа.

25 Для установления определенной разности напряжений между управляющими сигналами и ее изменения используют N первых и N вторых аналоговых компараторов 30, 31, а также усилитель 33, где вырабатывают сиг30 нал поиска.

Рассмотрим пример получения первых управляющих сигналов. Первый управляющий сигнал U0 устанавливают независимо

35 от остальных сигналов. Второй же управляющий сигнал Ui устанавливают с таким рас-г четом, чтобы он отличался от первого Uo по напряжению на определенную величину A U. Чтобы обеспечить заданную разность

40 напряжений между управляющими сигналами, их подают на входы первого из N первых компараторов 30, на выходе которого получают сигнал UOL пропорциональный разности напряжений между сигналами U0 и

45 Ui. При помощи сигнала поиска Un, который вырабатывается в усилителе 33, и первого из N вторых компараторов 31 управляют первым из N источников 29 напряжения так, чтобы сигнал Ui, получаемый на его выходе,

50 отличался по напряжению от сигнала U0 на определенную величину AU. Для этого сигнал Uoi с выхода первого из N вторых компараторов 30 и сигнал поиска Un подают одновременно на выходы первого из N вто55 рых компараторов 31, где их сравнивают, в результате чего получают на выходе первого из N вторых компараторов 31 сигнал авторегулировки Ua, пропорциональный разно- сти напряжений между сигналами Uoi и Un.

Сигнал авторегулирбвки Ua подают на управляющий вход второго из N+1 источников управляемого напряжения 29. В результате действия сигнала авторегулировки Ua напряжение Ui на выходе второго из N источников 29 управляемого напряжения изменяется так, что Uoi становится рав- ным Un по напряжению. Если теперь изменить напряжение сигнала поиска 1)п, то в результате описанного процесса авторегулировки напряжение управляющего сигнала снова измениться так, чтобы Uoi была равна ип. Таким образом, изменяя напряжение сигнала поиска Un. можно изменять разность напряжений между управляющими сигналами, а значит, и разность частот между соседними диапазонами спектрального анализа.

.Другие управляющие сигналы получают аналогичным образом. При этом напряжение сигнала U2 устанавливают относительно напряжения сигнала Ui, а напряжение сигнала Уз относительно сигнала U2 и т.д.

Кроме управляющих сигналов , при помощи которых устанавливают частотные диапазоны спектральных анализов, в блоке 9 синхронизации вырабатывают также сигнал развертки Up, при помощи которого осуществляют синхронность всех спектральных анализов. Сигнал развертки получают на выходе генератора 34 пилообразного напряжения и подают одновременно с управляющими сигналами на гетеродины всех анализаторов спектра блока 8 анализаторов спектра. Чтобы предотвратить влияние сигнала развертки на цепи авторегулировки управляющих сигналов, последние подают на входы гетеродинов через соответствующих из М источников 31 управляемых напряжением. При этом управляющие сигналы подают на управляющие входы этих N источников 31, на выходе которых получают напряжение, пропорциональное напряжению соответствующего уп- равляющего сигнала. Таким образом, управляющие сигналы транслируют через соответствующие из N источников управляемого напряжения, которые являются невзаимными элементами и защищают управляющие входы соответствующих из N+1 источников 29 управляемого напряжения от действия сигнала развертки.

Изменение разности частот между диапазонами спектрального анализа должно происходить только в определенные моменты, когда будет закончено последовательное включение-выключение полосовых фильтров блока 14 фильтров. Для этого в блоке 25 коммутации вырабатывают сигнал смещения диапазонов спектрального анализа, представляющий собой ступенчато изменяющееся напряжение, которое подают на управляющий вход усилителя 33 блока 9 синхронизации.

5Блок коммутации работает следующим образом.

В задающем тактовом генераторе 25 , в качестве которого можно использовать мультивибратор или любой другой импуль0 сн ый генератор, вырабатывают сигнал, представляющий периодическую последовательность импульсов; период следования которых Ti равен времени, необходимому для измерения амплитуды сигнала дально5 сти, и определяет таким образом скорость переключения фильтров в блоке 24 фильтров. Этот сигнал через делитель 36 частоты подают на считывающий вход регистра 38 сдвига и непосредственно на тактовый вход

0 регистра 38 сдвига. При этом на первый выход регистра 38 сдвига запишется логическая единица. Сигнал высокого уровня с первого выхода регистра 38 через первый из К усилителей 39 подают на управляющий

5 вход блока 24 фильтров, подключая тем самым первый фильтр в блоке 24 фильтров. Импульсы, поступающие на тактовый вход регистра 38 сдвига, будут перемещать сигнал высокого уровня от первого к последне0 му выходам регистра 38 сдвига. При этом соответственно последовательно включают и выключают фильтры в блоке 24 фильтров. На выходе делителя 36 частоты получают сигнал с периодом следования импульсов,

5 равный Т2 Ti/K, где К - число фильтров в блоке 24 фильтров. Этот сигнал подают на синхронизирующий вход генератора 37 ступенчатого напряжения, где вырабатывают сигнал смещения диапазонов, представля0 ющий собой ступенчато изменяющееся йапряжение, Благодаря указанной синхронизации, ступенчатое изменение напряжения будет происходить только после коммутации всех фильтров блока 24 фильт5 ров, В блоке 8(21)анализаторов спектра были использованы приборы С4-60, в качестве регистрирующего блока 12 (второго регистрирующего блока 27) был использован .частотомер 3-34, в качестве

0 первого регистрирующего блока 26 - вольтметр В7-27.

Рассмотрим конкретный случай применения предлагаемого способа и устройства для его реализации. Диапазон зондируемых

5 дальностей от 15 до 1000 м. При этом максимальная разность частот fpmax между соседними максимумами спектра суммарного сигнала будет не более 10 МГц. Следовательно, ширина спектра ДР зондирующего сигнала должна быть не менее 30 МГц. Из

диапазона зондируемых дальностей выделим дальности, для зондирования которых потребуется относительное увеличение чувствительности. Ограничим этот диапазон дальностями от 100 до 1000м. Этому диапа- зону соответствует fpmax 1,5 МГц. Тогда спектр сигнала A F 30 МГц можно разбить приблизительно на 20 частотных диапазонов синхронных спектральных обработок, что даст, согласно формуле (3), увеличение чувствительности на 13 дБ и расширение динамического диапазона принимаемых сигналов, в котором наблюдается интерференция принятого и опорного сигналов, приблизительно в сорок раз. Формула изобретения Способ определения дальности со спектральной обработкой сигнала, заключающийся в том, что генерируют стационарный сигнал с шириной спектра не менее отноше- ния скорости света С к дальности до цели R, разделяют указанный сигнал на зондирующий и опорный сигналы, излучают зондирующий сигнал, принимают отраженный сигнал, суммируют принятый и Опорный сигналы, производят спектральную обработку суммарного сигнала, по разности частот между соседними максимумами спектра определяют дальность до цели, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности и улучшения энергетических характеристик при сохранении разрешающей способности, синхронно с первым производят N аналогичных спектральных обработок суммарного сигнал в различных частотных диапазонах, причем частотные диапазоны указанных спектральных обработок выбирают так, чтобы разность частот между крайними нижними частотами соседних диапазонов была равна или кратна отношению C/2R, получают результирующий сигнал, являющийся суммой сигналов спектральных обработок, каждый из которых соответствует огибающей спектра суммарного сигнала в одном из диапазонов спектральной обработки, из результирующего сигнала выделяют сигнал высокой частоты, отфильтровывая низкочастотные и постоянные составляющие, определяют дальность по частоте fen гнала высокой частоты согласно формуле

R fC/2S,

где S - скорость развертки по частоте при анализе спектра.

Сущность изобретения: устройство, реализующее способ определения дальности со спектральной обработкой сигнала, содержит генератор стационарного сигнала, направленный ответвитель, передающую антенну, приемную антенну, усилитель, блок сложения, многоканальный разветви- тель, блок анализаторов спектра, блок синхронизации, сумматор, фильтр верхних частот, регистрирующий блок и вычислитель. 5 ил.

Рыг /

A Of

/М

Фиг. 4

S)

Ь 1 &

/КАуКуу/

ЈЛ