Способ синтеза диаграммы направленности широкополосной антенны с нулями в заданных направлениях
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиоили акустической связи, локации и навигации . Цель изобретения - повышение помехозащищенности при воздействии широкополосных помех со стационарным и нестационарным спектром. Сигналы с каждого из N выходов N-лучевой антенной решетки разделяют на N-1 каналов и в каждом канале производят дискретные сверки сигнала, последовательность и вид которых определяет детерминант матрицы размерности NxN, в первой строке которой располагают дискретные свертки сигнала в пространственной области, а в остальных - дискретные свертки сигнала во временной области для выделенных N-1 направлений формирования нулей, причем дискреты задержек сигнала в каждой операции дискретной свертки сигнала во временной области равны разности межэлементных задержек волновых фронтов, приходящих .с выделенных N-1 направлений формирования нулей и направлений, соответствующих максимумам диаграмм направленности N-лучевой антенной решетки. Сигналы с N-1 выходов каналов суммируются. 8 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (si)s H 01 0 21/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4492023/09 (22) 15.08,88 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 (71) Житомирский филиал Научно-исследовательского института комплексной автоматизации и Житомирский филиал Киевского политехнического института (72) Н.В,Коваленко, А,Н.Коваленко, Л.Г.Кравец, С.И.Корнатовский, А.А.Костюк, С.И.Волынец, В.А.Сляднев и А.И.Тютюнник (53) 621.396.67(088.8) (56) Vural А.М, А comparative performance
sturly of adaptive array processors.—
ICASSP-77, 1977, Hartbarel ст., рр.695 — 700. (54) СПОСОБ СИНТЕЗА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ
АНТЕННЫ С НУЛЯМИ В ЗАДАННЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ (57) Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиоили акустической связи, локации и навигации. Цель изобретения — повышение помеИзобретение относится к антенной технике и может быть использовано в гидролокации.
Цель изобретения- повышение помехо-. защищенности при воздействии широкополосных помех со стационарным и нестационарным спектром.
Сущность способа синтеза диаграммы направленности широкополосной антенны с нулями в заданных направлениях состоит в том, что широкополосные сигналы, принятые антенной решеткой, подвергают последовательно дискретным сверткам и разделению в каналах по правилу вычисления определителя матричного оператора размерности NxN..
5U 1716585 А1 хозащищенности при воздействии широкополосных помех со стационарным и нестационарным спектром. Сигналы с каждого из
N выходов N-лучевой антенной решетки разделяют на N-1 каналов и в каждом канале производят дискретные сверки сигнала, последовательность и вид которых определяет детерминант матрицы размерности NxN, в первой строке которой располагают дискретные свертки сигнала в пространствен- . ной области, а в остальных — дискретные свертки сигнала во временной области для выделенных N-1 направлений формирования нулей, причем дискреты задержек сигнала в каждой операции дискретной свертки сигнала во временной области рав ны разности межэлементных задержек волновых фронтов, приходящих,с выделенных N-1 направлений формирования нулей и направлений, соответствующих максимумам диаграмм направленности N-лучевой антенной решетки. Сигналы с N-1 выходов каналов суммируются. 8 ил.
В первой строке матричного оператора располагают Z-преобразования дискретной свертки сигнала в пространственной области, формирующие диаграммы направленности антенной решетки, в остальных й-1 строках матричного оператора, соответствующих N-1 нулям диаграммы направленности, — Z-преобразования дискретной свертки сигнала во временной области, формирующие передаточные функции трансверсальнык фильтров, При этом широкополосные сигналы с выходов антенной решетки подвергают дискретной свертке в пространственной области с помощью
N-лучевой диаграммообразующей схемы, соответствующей N элементам первой строки матричного оператора. После этого сиг1716585 налы с каждого выхода N-лучевой диаграммообразующей схемы разделяют на N-1 каналов, в которых сигнал подвергают дискретной свертке во временной области (фильтрации), соответствующей элементам первых строк алгебраических дополнений размерности (N-1)x(N-1), которые также раскрывают по правилу вычисления детерминанта, т.е, после каждой дискретной свертки сигнала производят разделение сигнала на N-2 каналов и т.д. до полного раскрытия детерминанта матричного оператора. После этого выходные сигналы на выходе всех каналов суммируют.
Способ синтеза одного нуля в широкополосной диаграмме направленности осуществляют следующим образом.
Плоский фронт волны источника широкополосной помехи X01(t), приходящей с направления ао1, отсчитываемого от нормали к поверхности АР, падает на раскрыв эквидистантной N-элементной линейной антенной решетки, причем на каждом выходе I-го антенного элемента сигнал помехи X011(i— то1!) задержан относительно первого элемента AP на величину пространственной межэлементной задержки t01l = (! — 1) — х
Cl
С
xsin ао1, где d — межэлементное расстояние, С вЂ” скорость распространения фронта волны в среде.
Выходные сигналы элементов AP могут быть представлены в виде вектора-столбца Xo11(t)
Х 012(т — 701)
Xo1(t) =
Xo1l(t — го1) (!-1)
I, ; X01N-1(е 701 (I 1)
Cl где то1 = — s in ао1, С
t — время;
Xo1l — сигнал от помехи íà I-м антенном элементе.
Выходные сигналы AP поступают на диаграммообразующую схему.
В диаграммообразующей схеме для установки максимума диаграммы направленности в направлениях а 1, аг соответственно сигналы от !-х антенных элементов задерживаются на величину
tm1(! — 1) и туг(! — 1).
С! Cl
ЗаДЕРжКИ Над выходными. сигналами первого и второго лучей диаграммообразующей схемы выполняют дискретную свертку в пространстве. В общем случае для формирования N-1 нуля в N-лучевой диаграммообразующей 5 схеме необходимо осуществить матричное преобразование сигнала следующего вида: Е1(2,2(п1*) F2(ZgZm2*)" (4 К,ZmN*) у! K(Z) i= Ф1(,2п 1*) фг(2 - <Егпг*)" У!Ч(2(< ZmN*) 10 ф1(ул 7m1*) Фг(2л Zm2*).. Ф!Ч(2 ZmN"I I (2 Тогда Z-преобразование выходного сигнала имеет вид 15 X(Z) det I IK(Z)I I = X(Z) х N х ) Fl(Z Ф(2 ZmK*) — Z — преобразование сиг о< НаЛа ВО ВРЕМЕННОЙ ОбЛаСтИ (to!, tm ) СОВПадающее для выделенного направления на i-ю помеху а = аы с Z-преобразованием дискретной свертки сигнала в пространственНОй ОбЛаСтИ (ао1, Cumrr). Фк(20 < ) Frr(gо + к) = ) (! 1) = (Z, 7 ) (! 1) о о1 к ! О« к где N — число элементов AP (для многолучевой диаграмообразующей схемы); 2к,,Z „=Z„„.Z = ехР(jkd (sin%>l— — sin аптек)} = ехр (-ф(тЬ вЂ” т,)} = = ехр (-! сй то-} ехр (j Co z mK}; Z, 2к,, Z.....,,Z,— 2 — преобразования 4О операторов задержек в простра с ве ной (а,, апк) и во временной (ток +mK) областях. При совпадении угла а с заданным направлением на i-й нуль ао! в матрице I I K(Z) I I (i+1)-я строка совпадает с первой и 45 передаточная функция системы det I I K(2) I I обращается в нуль для направления а= а ь формируя нуль в диаграмме направленности, Поскольку в матрице NxN возможно N-1 совпадений строк при изменении текущего угла а, то таким образом может быть сформировано N-1 широкополосных нулей в диаграмме направленности во всей полосе рабочих частот в направлениях ао1, аог„... caN-1, причем положение этих нулей зависит 55 только от N-1 переменных 701, t02,...,toN-1, соответствующих межэлементным задержкам плоских фронтов волн от источников широкополосных помех, приходящих с на1716585 правлений ао1, аког„...ахи-1. Таким образом, при изменении углового положения i-ro нуля изменяется только (+1)-я строка матричного оператора I I K(Z) I; На фиг.1 приведена блок-схема устройства с одним нулем диаграммы направленности; на фиг.2 — блок-схема фильтра; на фиг,3 — блок-схема диаграммообразующей устройства с двухлучевой антенной решеткой; на фиг,4 — блок-схема устройства с двумя нулями в диаграмме направленности; на фиг.5 — блок-схема диаграммообразующей устройства; на фиг.6 — блок-схема фильтров; на фиг.7 — диаграмма направленности устройства с одним нулем; на фиг,8 — диаграмма направленности устройства с двумя нулями. Пример реализации устройства для синтеза одного нуля диаграммы направленности в широкой полосе частот приведен на фиг.1, Устройство состоит из линейной эквидистантной решетки 1 равномерным амплитудным распределением, подключенной к диаграммообразующей схеме 2, выходы которой подключены к фильтрам 3, выходы которых подключены к клеммам "+" и "-" сумматора 4, выполненного, например на операционном усилителе, выход которого является выходом устройства. Входы 5 и 6 устройства подключены к управляющим входам диаграммообразующей схемы 2 и фильтров 3, а вход 7 — к управляющим входам фильтров. Блок-схема фильтров приведена на фиг.2.Вход 3 подключен к линиям 9 задержек (выполненным, например, на приборах с зарядовой связью), подключенным к усилителям 10 (реализуемым, например, на МОП-транзисторах), подключенным к сумматору 11 (выполненного, например, на операционном усилителе), выход 12 которого является выходом фильтра, два управляющих входа 13 и 14 подключены к операционному усилителю 15, выход которого подключен к входу формирователя 16 модульной функции, выход которого подключен к входу перестраиваемого генератора 17 тактовых импульсов (ПГТИ), выход которого подключен к управляющим входам перестраиваемых линий 9 задержек. На фиг.3 приведена блок-схема диаграммообразующей схемы 2. Антенная решетка 1 подсоединена к усилителям 18; подключенным к сумматорам 19, выходы которых подключены к входу линий 20 задержек. Выходы 5 и 6 подключены к соответствующим входам перестраиваемого генератора 21 тактовых импульсов, выходы которых подключены к управляющим входам линий 20 задержек. Выходы линеек 15 ний 32 задержек, к управляющему входу которых подключены перестраиваемые ге20 55 сумматоров 19 являются выходами диаграммообразующей схемы 2. Устройство для синтеза двух широкополосных модулей (фиг.4) состоит из линейной зквидистантной решетки 22, подключенной к диаграммообразующей схеме 23. К диаграммообразующей схеме 23 подключены входы 25 — 27 устройства, а к блоку 24 фильтров — входы 25-29 устройства Диаграммообразующая схема 23, бгоксхема которой приведена на фиг.5, состоит из линеек весовых усилителей 30, подключенных к антенной решетке.22, выходы которых подключены к входам сумматоров 31, другой вход которых подключен к входу линераторы 33 тактовых импульсов, выходы которых подключены к входам 25 — 27 устройства. Выходы линеек сумматоров 31 являются выходами диаграмообразующей схемы 23. На фиг.6 приведена блок-схема блока 24 фильтров. Входы блока 24 подключены к выходам диаграммообразующей схемы 23, подключенным к фильтрам 34, Первый выход диаграммообразующей схемы подключен к фильтрам с управляющими входами подключенными к входам 28, 26 и 28, 27 устройства, подключенным к входам.фильтров с управляющими входами, подключенными к входам 29, 27 и 29, 26 устройства, входы которых соответственно подключены к клеммам "+" и "-" вычитающего устройства 35, выход которого подключен к сумматору 36. К второму выходу диаграмообразующей схемы 23 подключены фильтры с управляющими входами, подключенными к входам 28, 27 и 28, 25 устройства, подключенные к фильтрам с управляющими входами, подключенными к входам 29, 25 и 29, 27 устройства, выходы которых соответственно подключены к клеммам "+" и "-" вычитающего устройства 35. подключенного к входу сумматора 36. Третий выход диаграммообразующей схемы 23 подключен к фильтрам 34 с управляющими входами 28, 25 и 28, 27, подключенным соответственно к фильтрам с управляющими входами 29, 27 и 29, 25, подключенным соответственно к клеммам "+" и "-" вычитателя 35, выход которого подключен к входу сумматора 36, выход которого является выходом устройства. Устройство по фиг,1 работает следующим образом. На входы 5 и 6 устройства подаются управляющие напряжения. которые с помощью перестраиваемого генератора 21 1716585 50 тактовых импульсов устанавливают в линиях 20 задержек задержки, устанавливающие максимумы диаграммы направленности двухлучевой диаграммообРазУющей схемы 2 в нап РавленйЯх ап 1, am2, Задержки в 1-м антенном канале для первого луча двухлучевой диаграммообразующей схемы 2 равны (i — 1) tm1 = (i — 1) — s in Qm1, о С где i — номер антенного элемента; тп1 — задержка фронта волны между соседними элементами; d — межэлементное расстояние; С вЂ” скорость распространения фронта волны в среде. Для второго луча диаграммообразующей схемы 2 задержка для i-го антенного элемента в линии 20 задеРжки Равна (i-1) sm2= о = (i — 1) — $!п Гх2, гДе С двумя соседними элементами для формирования диаграммы направленности с максимумом в направлении а2. На вход 7 устройства подается управляющее напряжение, пропорциональное Гх01 направлению нуля широкополосной диаграммы нап равлен ности. Плоский фронт вол ны источйика широкополосного сигнала X(t). приходящего с направления Гх01, отсчитываемого от нормали в АР, падает на раскрыв эквидистантной линейной антенной решетки, В каждом антенном элементе появляется сигнал Х(т), задержанный относительно соседнего антенного канала на величину пространственной межэлементной задержки to1 = sin ao1. На выходах сумб С маторое первого и второго лучей диаграммообразующей схемы 2 присутствует свертка сигнала Х(с) F(Z Zm«") = gexP1 — (i — 1) kd x N х (sin ao1 — sin Гх «)) =, ехр (-j (1-1) х i=1 N х oj —. (sin Q01 — sin Гх„«)) =g ехр С i =1 N (— !(— 1)й) (4(о m«)) = (Z01 Zm«*) i =1 где N — число элементов в АР; К вЂ” номер луча диаграммообразующей схемы; t,—, межэлементная задержка для фронта волны, падающего на раскрыв AP с направлЕния а01; Zg ехр(-! а т01): Zm« = ехр (-j в тп «); Z„, Zm„— передаточные функции задеро жек Г01, Тт«. B фильтрах 3 устанавливается дискрет 5 задержек, равный для фильтра, подключенного к первому лучу диаграммообразующей схемы: 7 = ($3П Q01 — Sin ГХт2) = (701 — Ггп2) о а С 10 для фильтра, подключенного к выходу второго луча диаграммообразующей схемы, t = (Sin ГХ01 — $!П а1) =(т01 — tm1), о Га С Для этого на вход 13 фильтра 3 на выхо15 де первого луча диаграммообразующей схемы 2 подается управляющий сигнал с входа 6 УстРойства, пРопоРЦиональный tm2, а на вход 14 — управляющий сигнал с входа 7 ,устройства, пропорциональный т01. Сигнал 20 с клемм 13 и 14 подается на вычитатель 15 и формирователь 16 модульной функции. На входе перестраиваемого генератора 17 тактовых импульсов появляется управляющий сигнал, пропорциональный г = (т01 — туг). 25 В результате в фильтре 3, подключенном к выходу первого луча диаграммообразующей схемы 2, формируется задержка с дискретом гр .. На вход 13 фильтра 3 на выходе второго луча диаграммообразующей 30 схемы 2 подается сигнал с управляющего вхоДа 5, пРопоРЦиональный sm1, а с вхоДа 7 — сигнал, пропорциснальный т01, После вычитания на вычитателе 15 этих управляющих сигналов в формирователе 16 модульных функций формируется модульная функция, перестраиваемый генератор 17 тактовых импульсов формирует задержки тср,= (Т01 — F1(ZgZm1*) = Ф1(2, 5п1*) F2(+Zm2*) = Ф2{ Zm2*), Q = ГХ01 о где Z = ехр(-1и т«).= ехр (— joj — sin a).. С 45 Передаточная функция устройства имеет вид F1(ZgZm1*) F2(Z К(е) = бе1 1(Q„Z 1*) Ф2(2ц„арпа*) Р1(Х . 2 1*) l 2(QZm2*) — F2(HZ 2*) х Ф1(2, Zm1*) = О/Гх= Q01, О1 Таким образом, для направления Q = = Qo1 в диаграмме направленности устройства синтезируется широкополосный нуль, Плоский фронт волны, попадая на,антенную решетку 22, на выходе диаграммообразующей схемы 23 формирует три диаграммы направленности 1716585 1О Fx(Q,QmK) = F v. (Ъпк*) = (Z+Zmrr*) i =1 N ехр (— )(— 1)ь1(т, — гЪк)}, i 1 5 где т, — пространственная межэлементная задержка, зависящая от текущего угла Q; rm< — межэлементная задержка в линии 32 задержек, К вЂ” номер луча диаграммообразующей 1О схемы, К=1,2,3; Z = ехр -j в т); 2m<* = ехр (+) вт,). Положение максимумов диаграммы направленности в диаграммообраэующей схеМЕ 23 а п1, Qm2, Qm3 уСтаНаВЛИВаЕтСя С помощью управляющих напряжений на входах 25 — 27 устройства, подключенных к перестраиваемому генератору 33 тактовых ИМПУЛЬСОВ, ФОРМИРУЮЩИХ ЗаДЕРжКИ Zml; т г, Trn3 На ЛИНИЯХ 32 ЗадЕржЕК: cI танк = — э п Qmg, к = 1,2,3. С выхода диаграммообразующей схемы сигнал попадает на блок 24 фильтров, Формула раскрытия детерминанта, описывающего передаточную функцию устройства, следующая: F1(Z Zm1") F2(Zgm2*) Рз(Ц аз*) K(Z) = бЕт 91(2012m 1) Ф 2(Z01Zm2*) 45(2012m3 ) 3О @ 1(20221") Ф г(202Ъ а") Фз (2022m3 ) = Е1(, 2 1*)(Ф2(2012 2*) 313(Z022m3*)— — Фз(2012вз*) % (Z02Zm2*)) — Рг(Щ2 2+) х х(Ф1(2о12 и l*) %(2022 3*)— — Фэ (Z01Zm3*) Ф1(2022т1*)) + F3 х х (Zgm3*) (Ф1(2012в1*) При совпадении положения помехи с направлениями а=Q01 или а=аог детерми- . нант I I K(Z) i 1, описывающий передаточную функцию устройства, обращается в нуль, поскольку соответственно вторая и третья строки в детерминанте совпадают с первой. В этом случае в диаграмме направленности в направлениях и= оо1 и а= ио2 формиру-. ется нуль в широкой полосе частот. На фиг.7 приведена диаграмма направ-. ленности устройства с одним нулем в октавной полосе частот; на фиг.8 — с двумя нулями. Кривые 1 и 2 на фиг.7 представляют диаграмму направленности на выходе диаграммообразующей схемы 2. При использовании предлагаемого способа синтеза нулей диаграммы направленности в широкой полосе частот подавление помехи не зависит от полосы рабочих частот и вида спектра помехи, что увеличивает помехоустойчивость антенной решетки, при этом упрощается управление нулевыми положениями диаграммы направленности, так как число переменных, необходимых для управления N-1 нулями, уменьшается в и раз по сравнению с известным способом, расширяется область применения способа, поскольку обеспечивается возможность синтеза нулей диаграммы направленности в широкой полосе частот. Формула изобретения Способ синтеза диаграммы направлечности широкополосной антенны с нулями в заданных направлениях, включающий дискретные свертки сигналов в пространственной области с помощью N-лучевой антенной решетки, дискретные свертки сигналов лучей во временной области и суммирование, отличающийся тем,что,сцелью повышения помехозащищенности при воздействии широкополосных помех со стациI онарным и нестацоинарным спектром, сигналы с каждого из N выходов N-лучевой антенной решетки разделяют на N-1 каналов и в каждом канале производят последовательно дискретные свертки сигналов во временной области путем задержек, взвешивания и суммирования сигналов, причем дискреты задержек сигнала в каждой операции дискретной свертки сигнала во временной области равны разности межэлементных задержек волновых фронтов, приходящих с направлений, соответствующих максимумам диаграмм направленности лучей, и межэлементных задержек волновых фронтов, приходящих с заданных N-1 направлений, чередование последовательных дискретных сверток сигналов в N-1 каналах каждого из лучей определяется правилом раскрытия определителя матрицы размерности NxN, в первой строке которой располагают операции дискретных сверток сигналов в пространственной области для каждого луча N-лучевой антенной решетки, а в i-й (i = 2, 3,...,N) — соответствующие им операции дискретных сверток сигнала во временной области для i-ro заданного направления формирования широкополосного нуля, 1716585 - 1716585 Риз..У 35 .2Х .гь Л7 1716585 1716585 иа Составитель Н. Коваленко Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н. Король Редактор А. Огар Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 617 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5
