Способ определения направлений прихода n плоских волн и устройство для его осуществления

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

<э св „»

А1 (51)5 Н 01 (21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

11 1.2 1.(и+ r) госуддРстаенный номиткт

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ Оса

1 (21) 4283821/24-09 (22) 17,07.87 (46) 30,06,90. Бюл, У 24 (71).Московский авиационный институт им. Ceprq Орджоникидзе и Центральный научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем (72) В,А.Ищук и О.И.Зарощинский (53) 621 .396.677(088.8) (56) ТИИЭРу том 68, N - 6, июнь 1980, с.19-32.

Царьков Н ° М. Многоканальные радиолокационные измерители. M. Сов, радио, 1980, с, 160, рис,7.4.

2 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЙ

ПРИХОДА К ПЛОСКИХ ВОЛН И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУ1ЦЕСХВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к радио. технике. Цель изобретения — повышение разрешающей способности при определении направлений прихода плоских волн различной интенсивности. Устр-во, реализующее способ определения направлений прихода N плоских волн,содержит Л+1 антенных эл-тов 1, N+1 предварительных усилителей 2, блок 3 взвешивания, блок 4 преобразования сигналов, гетеродин .5, АЦП 6, вы шс1575255

50 лительный блок 7, блоки 8 и 9 оперативных запоминающих устр-в и индикатор 10, Данные способ и устр-во реализуют процедуру максимально правдоподобного оценивания угловых направлений прихода N плоских волн, Работа устр-ва основана на процедуре покоординатного поиска экстремальной точки (минимума) заданного выражения. Цель достигается sa счет

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.l представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемьй способ; на .фиг.2 — структурная схема блока взвешивания; на фиг.3 структурная схема блока преобразования сигналов. 30

Устройство для определения направлений прихода N плоских волн содер.жит N+1 антенных элементов 1, N+1 предварительных усилителей 2, блок

3 взвешивания, блок 4 преобразования 35 сигналов (БПС),гетеродин 5, аналогоцифровые преобразователи (АЦП) 6, вычислительный блок 7, первый 8 и второй 9 блоки оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), индикатор 10. 40

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

Блок 4 преобразования сигналов (БПС) содержит смесители 13, перемно- 45 жители 14, фильтры 15 низкой часто-. ты (ФНЧ), блоки 16 суммирования и делитель 17 на два.

Ф

Способ определения направлений прихода N плоских волн и предлагаемое устройство основаны на следующих соотношениях. Пусть в дальней зоне антенной решетки AP в одной полуплоскости от нее имеется N точечных источников излучения, имеющих различное угловое положение относительно АР, Среда распространения однородна. В узкой полосе частот на обеспечения взвешивания принятых антенными эл-тами 1 сигналов при за-, данных 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.

1. интервале времени 0> Т) (ЬЕ. T)j 1), AP принимает сигналы источников, временная структура которых неизвестна, Расстояние между соседними элементами AP d не более 9 /2. Длина

AP такова, что за время прохождения сигнала вдоль AP огибающая сигнала почти не меняется. Собственные шумы элементов AP есть независимые гауссовские процессы с равномерным спектром в полосе наблюдения. Тогда наблюдаемые сигналы можно представить в виде вектор-столбца

Х (а) = S(y) Р() + Ы(), t е О, Т, где X (t) — сигнал на выходе i-ro

t элемента АР, i=0,1,2...,, В+1;

F<(t) — сигнал, наводимый k-M источником излучения в первом элементе AP, k= — 1,2, .. °,N;

9 — угол между осью АР.и направлением на k-й источ-. ник излучения; — вектор фазовых сдвигов

Ч =Ч Ч 9 1)

2 Т

Ц = — - .d.cos9

-1К q, . К

S(g) — матрица размера (М+1)ю N, k-й столбец которой имеет ,H„ (1,g,ñ " ; ..., P 114Чк )т .

9

6 — мощность собственного шума в элементе AP.

Функция правдоподобия в данном случае имеет вид

L((p, F(t),6 IX(t)l) = (2%7 )

-э а -, г. -64T(M )) Е

xexp — — ) X(t) — S(q) й()» dt .

6, 5

15752

Для получения максимально правдоподобных оценок необходимо найти ц argcp min W (g) Р W(cp), (1)

gÄ агссоз (- ;-), k = 1,2, °,N.

2и и

Здесь ф

W(g) — вектор комплексного взвешивания сигналов AP причем

4-< 1з-1

)") „(q) = (-1) ° С ° g, ° ° х м г "+ -" х, axp(-j Q Ч

f ffaf-Kff4 f-К

))Н <г-1 1ъ-1

1.5 с=< (...к

<=4 1 =2.

k - ковариационная матрица наблюдаемых сигналов т

R = — — J X(t) X (t) dt;

T 25 знак комплексного сопряжения и транспонирования, Предложенный способ реализует найденную процедуру максимально правдоподобного оценивания угловых направлений прихода N плоских воЛн, Работа устройства основана на процедуре покоординатного поиска экстремальной точки (минимума) выражения (1), которое может быть представлено в виде

=. а» Rglg а

-р -) ЧИ где g = W(q)/С = С вЂ” е

С =(О, (-1). Г

M - ) ) Ц1, Я-( вЂ,> е, 1 )

iI т

В (С Сз Gh 1 О) С1

1знак сдвига элементов вектора на один элемент влево °

Взяв производную 1 по (),, получим

1Г )Чк

ЭI 1т (Ze 1- Im (Ег Ез1

3q)I (а — Re fZ> C> " ) p где Z-=a Z< — Ъ Z> а = 1)С(!

)»

Ъ = — — (С RG + В RB) °

2 р

К,= В+RG; г,= В С, Приравняв производную к нулю, получим .

/г(aiafaag г artcc) = г{г, г,).

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

Вычислительный блок 7 IIO э аданньo f

f„ ff, i =1,2,...,N-1 определяет векто-, -1, 30 ры G и В, При этом вектор G вычисляется простой итеративной процедурой т

Е = (0,0, ° ...0,1) о е< ео ®о )

° ° . ° ° ° ° ° ° ° °

Е,= Е, — (Е1) (, г=!,2.

N-2

Ef) < Бн-р (E)J г )

Кроме того, вычислительный блок

4Р 7 вычисляет величины а = //G//, Z = à.Z< — b.Z3, «1 4,КЦ (0 = arcsin (— --г--- ) — arg Z °

Ч cf) mIn f Z f

Устройство работает следующим

45 образом, ОЗУ 9 обнуляется, В ОЗУ 8 записываются ш-разрядные коды фазовых сдвигов блока 3 взвешивания, соот5р ветствующие равномерному начальному заданию оцениваемых угловых направлений 8,,, i =1,2,...,N-1. Коды фазовых сдвигов подаются на блок 3 взве.шивания, где устанавливаются фазовые

55 сдвиги электронно-управляемых фазовращателей ll и на вторые входы вычислительного блока 7. )la интервале времени (О, Т сигналы антенных элементов 1, усиленные предварительнымп

N, 1 < 1(2 г ехр -з ц <)I ) u+i f,a)IМ-К л . ) 55

Zl, Z, Z l< от I.) „не зависят, а (q (с и, то для того, чтобы экстремум был минимумом," должно выполняться условие /q + arg Z (< fi/2. Отсюда имеем

1 (К, Z1 (0, = arcsin (— -----y — arg 7..

1М п1Н IZ l

Подставив найденное (вместо ч", можно повторить определение нового по аналогичной процедуре и подставить его вместо (и т,д, до ()„. Затем вновь определить(g и подставить его вместо, и т.д, до тех пор, пока I, или, что то же, W (cf) R И() не станет минимальным.

Блок 3 взвешивания обеспечивает формирование сигналов U = В X(t) и

U = G X(t). и

Блок 4 преобразования сигналов формирует сигналы

1 1

Ъ= — — — — (UU +UU) àt=

2 Т )

1 — (G RG +  RB);

2 т

z = Ra (г,)+ jI„(zcf= — — l va в clc.

) а

1575255

Формула изобретения

1„Способ определения направлений прихода N плоских волн, заключающийся в том, что принимают совокупность сигналов от N источников излучения (N+I)-элементной антенной решеткой, усилителями 2 и взвешенные блоком

3 взвешивания, подаются с первого и второго выходов блока 3 взвешивания на соответствующие первые входы

5 блока 4 преобразования сигналов, на выходе которого формируются аналоговые сигиелы b, Re {Е }, Т „{Zz}, За это время вычислительный блок 7 осуществляет расчет элементов векторов

С и В по итеративной процедуре и вычисляет величины а = //С// и

Е = R< - (2 1+ 3ТДЕ = В С. После этого от блока синхронизации (на фиг, l не показан) подается синхроимпульс на АЦП 6 и аналоговые сигиалы величав Ь, Re {ее}, Ie{Z>} лреаб. разуются в цифровую форму и подаются на первые входы вычислительного блока 7„ который рассчитывает Е = а Š—, — b, Z и m-разрядный код (>< . Этот код подается в ОЗУ 8 íà N-1 кодов и

ОЗУ 9 íà N кодов и записывается на место кода Cf . Затем указанная процедура повторяется и найденный новый 25 код rп{ записывается в ОЗУ 8 и 9 на место кода С и т„д, до < P<<-<, Рассчитанный после этого аналогичной прог- ° цедуро и код (записывается в О ЗУ.

8 на место кода Ч><, а в ОЗУ 9 на ме с- З0 то кода Ц, Следующий рассчитанный

Я з аписыв ае т с я в ОЗ У 8 на место ц а в ОЗУ 9 на место ® и т . д . чг

Коды фазовых сдвигов с ОЗУ 9 пода-. ются на соответствующие входы индикатора 10, где осуществляется расчет углов О< по кодам (и их индикация.

Таким образом, взвешивание принятых .антенными элементами сигналов 40 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 способнос- ти при определении направлений прихода плоских волн различной интенсивности, задают сигналы оцениваемых угловых направлений 9, формируют вектор

> управляющих напряжений И(9< ) весовых коэффициентов, взвешивают принятые сигналы при управляющих напряжениях 11(6 ), суммируют взвешенные сигналы, измеряют мощность суммарного сигнала> запоминают мощность суммарного сигнала, о т л и ч а ю-шийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности при определении направлений прихода плоских волн различной интенсивности, одновременно задают сигналы всех М оцениваемых угловых направл ний 6 (i=1>2>...,N) вектор управляющих напряжений И(Ф,) весовых коэффициентов формируют в соответствии с выражением

>I«K -< N ><+<-<<

WI,=(-1) С .... ехр -j g ге (>«< <(.<<<.< {( 1

2и где L{ ; = —,у-,d cos9; >

С = ((Г, >.... " ((е(где d — шаг решетки;

Я вЂ” длина волны;

WI<- k-й элемент вектора управляющих напряжений W(0, ) весовых коэффициентов, измеряют и запоминают мощность суммарного сигнала, для всех N срцениваемых угловых направлений 6,, одновременно задают следующие сигналы всех

N îöåíHâàåìûõ угловых направлений 9е> измеряют мощность суммарного сигнала для всех N оцениваемых угловых на— правлений 9,, сравнивают измеренные мощности суммарных сигналов и запоминают минимальную мощность суммарного сигнала и соответствующие ей сигналы всех N оцениваемых угловых направлений 8, до тех пор, пока мощность суммарного сигнала ие станет минимальной> при этом соответствующие ей сигналы всех N оцениваемых угловых направлений 6; и являются направлениями прихода N плоских волн.

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

1575255 10 предварительные усилители соединены с соответствующими входами блока взвешивания, выходы которого соединены с соответствующими..входами процессора, выходы которого соединены

5 с соответствующими управляющими входами блока взвешивания, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что процессор состоит иэ гетеродина, блока преобразования сигналов, аналого-цифровых преобразователей, вычислительного блока, оперативных запоминающих устройств, индикатора, при этом син" фазный 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 блока, 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 про-, цессора, выходы второго блока оперативного запоминающего устройства соединены с соответствующими входами индикатора, при этом вторые входы первого и второго блоков оперативных запоминающих устройств являются установочныМи, 1575255

ЖЧ

Составитель А.Немцова

Техред М.Иоргентал Корректор С, Черни

Редактор И,Циткина

Заказ 1789 Тираж 446 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 1Î1

II If