Устройство для моделирования многолучевых радиосигналов

 

Изобретение предназначено для моделирования многолучевых радиосигналов, отраженных от тонких немагнитных слоев, и может быть использовано как техническое средство обучения, а также при исследовании блоков систем радиолокационного зондирования слоистых покровов. Целью изобретения является получение оценки нормированного расстояния между отражающими слоями, взвещенного по разности относительных амплитуд результирующего сигнала. Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, четыре ждущих мультивибратора 2-1, 2-4, сумматор 3, генератор 4 шума, счетчик 5 импульсов, ключ 6, четыре формирователя 7-1, 7-4 импульсов, регулируемый элемент 8 задержки, три фильтра 9-1, 9-3 нижних частот, два амплитудных модулятора 10-1, 10-2, генератор 11 синусоидальных колебаний, два полосовых фильтра 12-1, 12-2, блок 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, фазовращатель 14, регулятор 15 амплитуды радиоимпульсов, амплитудный детектор 16, два триггера Шмитта 17-1, 17-2, элемент И 18, генератор 19 импульсов, два элемента 20-1, 20-2 выборки и запоминания, два аналого-цифровых преобразователя 21-1, 21-2, частотомер 22. 4 ил.

Изобретение предназначено для моделирования многолучевых радиосигналов, отраженных от тонких немагнитных слоев, и может быть использовано как техническое средство обучения, а также при исследованиях блоков систем радиолокационного зондирования слоистых покровов.

Целью изобретения является получение оценки нормированного расстояния между отражающими слоями взвешенного по разности относительных амплитуд результирующего сигнала.

Функциональная схема устройства представлена на фиг.1; на фиг.2 и 3 приведены временные диаграммы в различных блоках устройства; на фиг.4 показана функциональная схема блока вычисления оценки нормированного расстояния между отражающими слоями.

Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, первый ждущий мультивибратор 2-1, сумматор 3, генератор 4 шума, счетчик 5 импульсов, ключ 6, четыре формирователя 7-1,7-4, регулируемый элемент 8 задержки, три ждущих мультивибратора 2-2,2-4, три фильтра 9-1,9-3 нижних частот, два амплитудных модулятора 10-1, 10-2, генератор 11 синусоидальных колебаний, два полосовых фильтра 12-1, 12-2, блок 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, фазовращатель 14, регулятор 15 амплитуды радиоимпульсов, амплитудный детектор 16, два триггера Шмитта 17-1, 17-2, элемент И 18, генератор 19 импульсов, два элемента 20-1, 20-2 выборки и запоминания, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) 21-1, 21-2, частотомер 22.

Выход генератора 1 тактовых импульсов подключен к входу первого ждущего мультивибратора 2-1 и входу первого формирователя 7-1 импульсов, выход которого соединен с входом регулируемого элемента 8 задержки, выход которого подключен к входу второго ждущего мультивибратора 2-2. Выход первого ждущего мультивибратора 2-1 соединен с входом второго формирователя 7-2, входом третьего ждущего мультивибратора 2-3 и входом первого фильтра 9-1 нижних частот, выход которого соединен с первым входом первого амплитудного модулятора 10-1. Выход второго ждущего мультивибратора 2-2 подключен к входу второго фильтра 9-2 нижних частот, выход которого соединен с первым входом второго амплитудного модулятора 10-2. Выход первого амплитудного модулятора 10-1 подключен к входу первого полосового фильтра 12-1, выход которого соединен с входом фазовращателя 14, выход которого подключен к первому входу сумматора 3. Выход второго амплитудного модулятора 10-2 соединен с входом второго полосового фильтра 12-2, выход которого подключен к входу регулятора 15 амплитуды радиоимпульсов, выход которого соединен с вторым входом сумматора 3. Выход генератора 4 шума через ключ 6 соединен с третьим входом сумматора 3, выход которого соединен с входом амплитудного детектора 16. Выход последнего соединен с входом первого триггера Шмитта 17-1, выход которого соединен с входом третьего фильтра 9-3 нижних частот. Выход фильтра 9-3 соединен с входом второго триггера Шмитта 17-2, выход которого соединен с первым входом элемента И 18. Второй вход элемента И 18 соединен с выходом генератора 19 импульсов. Выход элемента И 18 соединен со счетным входом счетчика 5 импульсов, выходы которого соединены с первой группой информационных входов блока 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями. Выход амплитудного детектора 16 соединен с входами первого 20-1 и второго 20-2 элементов выборки и запоминания. Выход первого элемента 20-1 выборки и запоминания подключен к входу первого АЦП 21-1, выходы которого соединены с второй группой информационных входов блока 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями. Управляющий вход первого элемента 20-1 выборки и запоминания объединен с управляющим входом первого АЦП 21-1 и соединен с выходом второго формирователя 7-2 импульсов. Выход второго элемента 20-2 выборки и запоминания соединен с входом второго АЦП 21-2, выходы которого соединены с третьей группой информационных входов блока 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями. Управляющий вход второго элемента 20-2 выборки и запоминания объединен с управляющим входом второго АЦП 21-2 и входом четвертого ждущего мультивибратора 2-4 и соединен с выходом третьего формирователя 7-3 импульсов, вход которого соединен с выходом третьего ждущего мультивибратора 2-3. Выход четвертого ждущего мультивибратора 2-4 соединен с входом четвертого формирователя 7-4 импульсов, выход которого соединен с входом "Готов" блока 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями. Выход генератора 11 синусоидальных колебаний соединен с входом частотомера 22 и вторыми входами первого 10-1 и второго 10-2 амплитудных модуляторов. Выходы частотомера 22 подключены к четвертой группе информационных входов блока 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, выход которого является выходом устройства. Входы обнуления счетчика 5 импульсов, первого 21-1 и второго 21-2 АЦП, блока 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями и частотомера 22 объединены и соединены с выходом первого формирователя 7-1 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы с выхода генератора 1 тактовых импульсов в каждом такте (фиг. 2а) поступают на вход запуска ждущего мультивибратора 2-1 и вход первого формирователя 7-1 импульсов, на выходе которого формируются короткие импульсы, показанные на фиг.2б. На выходе ждущего мультивибратора 2-1 формируются импульсы прямоугольной формы заданной длительности T_o/2, которые поступают на вход первого фильтра 9-1 нижних частот (фиг.2в). На выходе фильтра 9-1 нижних частот прямоугольные импульсы преобразуются в форму, близкую к треугольной, удвоенной длительности Т_о (фиг.2г).

Выходные импульсы первого фильтра 9-1 поступают на первый вход первого модулятора 10-1, на второй вход которого поступает синусоидальное колебание с выхода генератора 11. После фильтрации в первом полосовом фильтре 12-1 выходного колебания модулятора 10-1 получают в каждом такте радиоимпульс с огибающей, близкой к треугольной форме (фиг.2д).

Аналогично работает канал, образованный ждущим мультивибратором 2-2, фильтром 9-2 нижних частот, модулятором 10-2, полосовым фильтром 12-2. Разница заключается лишь в том, что с помощью первого формирователя 7-1 и регулируемого элемента 8 задержки радиоимпульс с огибающей треугольной формы задерживается на заданный интервал τ (фиг.2е). Выбор интервала задержки τ производит оператор с помощью регулируемого элемента 8 задержки.

По заднему фронту выходного импульса ждущего мультивибратора 2-1 второй формирователь 7-2 импульсов формирует короткие импульсы, положение которых на оси времени соответствует максимуму радиоимпульса треугольной формы на выходе первого полосового фильтра 12-1 (фиг.2ж). Радиоимпульсы с выхода полосового фильтра 12-1 поступают на фазовращатель 14, в котором осуществляется заданный оператором сдвиг по фазе несущей частоты первого радиоимпульса относительно частоты второго радиомпульса с выхода второго полосового фильтра 12-2. С помощью регулятора 15 амплитуды радиоимпульсов оператор устанавливает заданную максимальную амплитуду А₂ радиоимпульса с выхода полосового фильтра 12-2 (фиг.2е). Величина амплитуды А₂ может быть изменена в пределах от 0 до А₁ максимальной амплитуды первого радиоимпульса.

Радиоимпульсы с выходов фазовращателя 14 и регулятора 15 суммируются в сумматоре 3, с выхода которого сигнал поступает на амплитудный детектор 16. Форма выходного сигнала амплитудного детектора 16 определяется сдвигом фаз между суммируемыми радиоимпульсами, а также интервалом τ. При отсутствии разрешения по критерию Релея и произвольном сдвиге фаз между суммируемыми радиоимпульсами треугольной формы огибающая суммарного сигнала имеет произвольную форму. При сдвиге фаз между несущими колебаниями тех же радиоимпульсов, равном 180^о, форма огибающей суммарного сигнала приобретает характерный вид из двух фигур со спадом до нуля с расстоянием между максимумами, равном , вне зависимости от величины интервала задержки τ.

На фиг.3а показаны огибающие радиоимпульсов треугольной формы при различных интервалах задержки τ₁, τ₂, τ₃ ≅ ,моделирующие отражение от границ слоя при различных его толщинах. На фиг.3б построены результирующие огибающие для разности фаз Δ ϕ=180^о, т.е. при противофазном сложении.

Как уже отмечалось, в моменты времени T_o/2 в каждом такте на выходе формирователя 7-2 импульсов появляется короткий импульс (фиг.2ж). Этот момент соответствует появлению амплитуды U₁ огибающей суммарного сигнала (фиг.3б). По заднему фронту импульса с выхода ждущего мультивибратора 2-3 формирователь 7-3 импульсов формирует в моменты времени Т_о в каждом такте короткие импульсы считывания амплитуды U₂ огибающей результирующего сигнала на выходе амплитудного детектора 16.

Таким образом, формирователи 7-2 и 7-3 импульсов формируют импульсы выборки соответственно в моменты времени T_o/2 и Т_о на элементы 20-1 и 20-2 выборки и запоминания. Эти импульсы используются также в качестве управляющих для АУП 21-1 и 21-2. Выборки амплитуд U₁ и U₂ после преобразования в АЦП 21-1 и 21-2 в двоичный код в каждом такте передаются в блок 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями.

При моделировании отражения радиоимпульса от границ слоя интервал задержки τотображает удвоенную толщину h слоя, поскольку τ (1) где v скорость распространения электромагнитных волн в слое.

Для заданного интервала τ и сдвига фазы в фазовращателе 14 оператор, изменяя частоту генератора 11 синусоидальных колебаний, добивается того, что форма огибающей результирующего сигнала на выходе амплитудного детектора 16 приобрела вид, показанный на фиг.3б. В этом случае моделируется сдвиг по фазе (суммарный) Δ Φмежду несущими колебаниями суммируемых радиоимпульсов, равный некоторому целому числу n периодов колебаний плюс половина периода, т. е.

Δ Φ=2πn+ π.

В то же время при толщине слоя, равной h, несущие частоты колебаний радиоимпульсов, отраженных от границ слоя, сдвинуты по фазе на величину Δφ 2πfτ 2πf· (3) где f несущая частота радиоимпульсов.

Приравнивая выражения (2) и (3), получают оценку толщины слоя · (2+1), (4) где оценка частоты колебаний генератора 11; оценка целого числа периодов колебаний.

Оценка частоты синусоидальных колебаний генератора 11 производится с помощью частотомера 22, с выхода которого эта оценка в двоичном коде передается на соответствующие входы вычислительного блока 13.

Оценка целого числа периодов несущего колебания радиоимпульсов может быть произведена из того соображения, что в длительности результирующего сигнала на выходе сумматора 3 содержится полностью первый радиоимпульс плюс некоторая часть второго радиоимпульса. Тогда оценка для целого числа периодов несущего колебания, содержащегося в суммарном сигнале, имеет вид [-T] ≃ [-T_o] (5) где [. скобки означают целую часть числа; оценка длительности огибающей результирующего сигнала на выходе амплитудного детектора 16.

Оценку длительности огибающей результирующего сигнала получают следующим образом.

Сигнал с выхода амплитудного детектора 16 (фиг.3б) поступает на первый триггер Шмитта 17-1. Выходной сигнал триггера 17-1 показан на временной диаграмме фиг.3в. Временной интервал Δt₁, Δt₂ или Δt₃ между двумя импульсами в каждом такте определяется порогами срабатывания и отпускания триггера Шмитта, а также наклонами фронтов и срезов импульсов на выходе детектора 16.

С помощью третьего фильтра 9-3 нижних частот производится сглаживание провалов между импульсами, и сигналы между импульсами приобретают вид, показанный на фиг.3г. Выходные импульсы фильтра 9-3 поступают на вход второго триггера Шмитта 17-2, на выходе которого получают в каждом такте импульсы, показанные на фиг. 3д. Длительность этих импульсов равна длительности огибающей результирующего сигнала на выходе амплитудного детектора 16.

Выходные импульсы триггера Шмитта 17-2 поступают на первый разрешающий вход элемента И 18, на второй вход которого поступают импульсы с выхода генератора 19 импульсов. Число импульсов на выходе элемента И 18, пропорционально в каждом такте длительности , подсчитывается счетчиком 5 импульсов. Двоичный код числа с выходов счетчика 5 в каждом такте передается на первую группу информационных входов блока 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями.

В начале каждого такта импульс с выхода первого формирователя 7-1 обнуляет счетчик 5, а также регистры АЦП 21-1 и 21-2 и регистр частотомера 22.

Из выражений (4) и (5) имеют · (2[-T_o]+1) (6) Учитывая выражение (1), оценку для нормированной толщины слоя записывают в виде [-]+ (7)
Оценку , взвешенная по разности относительных амплитуд результирующего сигнала, имеет вид
· (-). (8)
Оценка вычисляется в блоке 13 по сигналу "Готов". Сигнал "Готов" вырабатывается формирователем 7-4 по заднему фронту выходного импульса четвертого ждущего мультивибратора 2-4, который в свою очередь запускается импульсом с выхода формирователя 7-3. Длительность выходного импульса ждущего мультивибра тора 2-4 равна T_o/2. Оценка может изменяться при воздействии шумов, искажающих принимаемые радиоимпульсы в реальных системах радиолокационного зондирования тонких слоев.

Для исследования степени влияния шумов на оценку в устройство введены генератор 4 шума и ключ 6, с помощью которого выход генератора 4 подключается к третьему входу сумматора 3.

Искажение формы огибающей результирующего сигнала на выходе амплитудного детектора 16 приводит к флуктуациям оценки , а также значений и максимальных амплитуд первого и второго просуммированных радиоимпульсов, что приводит, как следует из выражения (8), к флуктуациям оценки .

Блок 13 вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями (фиг. 4) содержит микропроцессор МП (микросхема КР680ИК80), тактовый генератор ТГ (микросхема КР530ГФ24), 11 шинных формирователей ШФ (микросхемы К589АП16), постоянное запоминающее устройство ПЗУ (микросхема К573РФ11), дешифратор ДШ (микросхема К561ИД1), регистр состояний РГС (микросхема К589Р12), оперативное запоминающее устройство ОЗУ (микросхема К565РУ2), логические схемы И1, И2.

Выходы тактового генератора ТГ соединены соответственно с входами Ф1 и Ф2 микропроцессора МП, адресные выходы А_о,А₁₅ которого через шинный формирователь ШФ1 и шину адреса соединены с адресными входами постоянного запоминающего устройства ПЗУ и оперативного запоминающего устройства ОЗУ. Три разряда шины адреса подключены к входам дешифратора ДШ. Семь выходов дешифратора ДШ соединены с первыми входами логической схемы И1, вторые входы которых через логическую схему И2 связаны с первым выходом регистра состояний РГС. Другой вход логической схемы И2 подключен к выходу "Прием" микропроцессора МП. Выход "Выдача" микропроцессора МП подключен к входу записи оперативного запоминающего устройства ОЗУ. Входы считывания ОЗУ и ПЗУ связаны с вторым выходом регистра РГС. Вход регистра РГС соединен с выходом "Синхронизация" микропроцессора МП, выходы D_о,D₇ данных которого соединены с шиной регистра РГС и через шинные формирователи ШФ3 и ШФ4 с ОЗУ, а через ШФ6,ШФ11 с внешними устройствами. Вход "Сброс" микропроцессора МП соединен с выходом формирователя 7-1 импульсов. Импульсы тактового генератора ТГ, поступающие на входы Ф1 и Ф2 микропроцессора МП, являются тактирующими сигналами, из которых формируются все остальные сигналов в микропроцессоре МП.

Обмен информацией между микропроцессором МП, ПЗУ, ОЗУ и внешними устройствами формирователем 7-4, счетчиком 5 импульсов, АЦП 21-1 и 21-2, частотомером 22 осуществляется по методу асинхронного программного обмена. При этом сигнал "Готов" всех внешних блоков поступает на вход шинного формирователя ШФ 11.

Оценки , . и от соответствующих внешних блоков поступают на входы одинаковых восьмиразрядных шинных формирователей ШФ5,ШФ8, выполняющих функции тристабильных буферов и построенных, например, каждый на паре четырехразрядных шинных формирователей К589АП16. Константы Т_о и τ вводятся оператором с технологического пульта и поступают через ШФ9 и ШФ10. Шинный формирователь ШФ11 пропускает сигнал "Готов", поступающий на произвольный, например третий, разряд шины данных от внешнего блока формирователя 7-4 импульсов.

Для формирования стробов ввода информации используются напряжения с выхода дешифратора ДШ, управляемого тремя разрядами адресной шины, сигнал "Ввод" с выхода регистра РГС, а также выходной сигнал микропроцессора МП "Прием".

Ввод данных осуществляется следующим образом.

В соответствующем месте программы используется команда ввода 1N01, по которой микропроцессор МП, а соответственно и регистр РГС с логической схемой И2 формируют строб ввода, состояние "Готов" формирователя 7-4 передается в третий разряд аккумулятора МП. Далее производится проверка содержимого этого разряда (команда АN104), от результата которого зависит дальнейшая последовательность команд.

Если внешние устройства не готовы, т.е. напряжение "Готов" равно нулю, и в третьем разряде аккумулятора (А₃)=0, то происходит возврат к команде 1N01. Если внешние блоки готовы, т.е. (А₃)=1, то выполняется следующая команда 1N02, по которой в аккумулятор вводится восьмиразрядный код установленной частоты от цифрового частотомера 22 и далее последовательно вводятся коды оценок величин (через ШФ7), (через ШФ6) и (через ШФ5). После ввода данных производятся математические вычисления в соответствии с формулой (8).

Результаты моделирования снимаются для дальнейшего использования с шины данных или ОЗУ через стандартный интерфейс, например, ИРПР-М или "Стык 02-ИС".

После выполнения вычислений микропроцессор МП по команде HLT переходит в режим останова. Импульсы от формирователя 7-1, поступающие на вход "Сброс" микропроцессора МП, обнуляют счетчик команд, и по окончании импульса "Сброс" начинает выполняться программа с адреса 0000.

Исследование статистики М представляет интерес при проектировании радиолокационных систем зондирования тонких слоев в задачах метеонаблюдений, обеспечения экологического контроля среды и поверхностей и других применениях в народном хозяйстве.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОЛУЧЕВЫХ РАДИОСИГНАЛОВ, содержащее генератор тактовых импульсов, первый ждущий мультивибратор, сумматор, генератор шума, счетчик импульсов, ключ, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к входу ждущего мультивибратора, отличающееся тем, что в устройство введены четыре формирователя импульсов, регулируемый элемент задержки, три ждущих мультивибратора, три фильтра нижних частот, два амплитудных модулятора, генератор синусоидальных колебаний, два полосовых фильтра, блок вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, фазовращатель, регулятор амплитуды радиоимпульсов, амплитудный детектор, два триггера Шмитта, элемент И, генератор импульсов, два элемента выборки и запоминания, два аналого-цифровых преобразователя и частотомер, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к входу первого формирователя импульсов, выход которого соединен с входом регулируемого элемента задержки, выход которого подключен к входу второго ждущего мультивибратора, выход первого ждущего мультивибратора соединен с входом второго формирователя импульсов, входом третьего ждущего мультивибратора и входом первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом первого амплитудного модулятора, выход второго ждущего мультивибратора подключен к входу второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом второго амплитудного модулятора, выход первого амплитудного модулятора подключен к входу первого полосового фильтра, выход которого соединен с входом фазовращателя, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход второго амплитудного модулятора соединен с входом второго полосового фильтра, выход которого подключен к входу регулятора амплитуды радиоимпульсов, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход генератора шума через ключ соединен с третьим входом сумматора, выход сумматора соединен с входом амплитудного детектора, выход которого соединен с входом первого триггера Шмитта, выход которого соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом второго триггера Шмитта, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход элемента И соединен с выходом генератора импульсов, при этом выход элемента И соединен со счетным входом счетчика импульсов, выходы которого соединены с первой группой информационных входов блока вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, выход амплитудного детектора соединен с входами первого и второго элементов выборки и запоминания, выход первого элемента выборки и запоминания подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с второй группой информационных входов блока вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, управляющий вход первого элемента выборки и запоминания объединен с управляющим входом первого аналого-цифрового преобразователя и соединен с выходом второго формирователя импульсов, выход второго элемента выборки и запоминания соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с третьей группой информационных входов блока вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, управляющий вход второго элемента выборки и запоминания объединен с управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя и входом четвертого ждущего мультивибратора и соединен с выходом третьего формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом третьего ждущего мультивибратора, выход четвертого ждущего мультивибратора соединен с входом четвертого формирователя импульсов, выход которого соединен с входом "Готов" блока вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, выход генератора синусоидальных колебаний соединен с входом частотомера и вторыми входами первого и второго амплитудных модуляторов, выходы частотомера подключены к четвертой группе информационных входов блока вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями, выход которого является выходом устройства, входы обнуления счетчика импульсов, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, блока вычисления нормированного расстояния между отражающими слоями и частотомера объединены и соединены с выходом первого формирователя импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4