Устройство определения угломестной координаты источника радиоизлучения

 

Использование: радиолокация. Сущность изобретения: устройство определения угломестной координаты источника радиоизлучения содержит М каналов, включающих один антенный элемент 1, один приемник 2, один двухквадратурный фазовый детектор 3, один двухканальный аналого-цифровой преобразователь 4, один М-входовый двухквадратурный преобразователь сигналов 5, один многовходовый объединитель сигналов 6, N фазовращателей 7, N канальных приемников 8, один блок выбора луча 9, один вычислитель высоты и индикатор 10. Дано выполнение М-входового двухквадратурного преобразователя сигналов и многовходового объединителя сигналов. 6 ил.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для измерения угломестной координаты источников радиоизлучения воздушных объектов (ВО) и других переотражающих сигнал объектов в аппаратуре угломестных каналов наземных радиолокационных станций (РЛС) с фазированными антенными решетками (ФАР) в условиях, когда наряду с основным сигналом принимается мешающий сигнал, переотраженный земной поверхностью.

В условиях, когда ФАР расположена над земной поверхностью, кроме основного сигнала от источника радиоизлучений принимается еще сигнал, переотраженный земной поверхностью. Этот сигнал оказывает мешающее действие и существенным образом снижает эффективность устройства определения угломестной координаты [1, 2] Известные методы устранения мешающего действия сигнала, переотраженного земной поверхностью, оказываются достаточно сложными и могут даже определять облик всего устройств, что особенно характерно для радиолокационной техники. Например, в [1] для устранения мешающего действия сигналов земной поверхности рекомендуется сужение ширины диаграммы направленности ФАР в вертикальной плоскости, повышение разрешающей способности РЛС по дальности, экранирование ФАР "забором" для устранения возможности приема сигналов, переотраженных земной поверхностью.

Действительно при сужении ширины диаграммы направленности ФАР в вертикальной плоскости уменьшается область углов, в которой существует сильная корреляция сигналов, принятых непосредственно от источника излучения и переотраженного земной поверхностью. Вне этой зоны сигналы некоррелированы, и результаты обработки их практически независимы. Поэтому снижение эффективности устройства происходит в пределах ширины диаграммы направленности и чем уже она, тем меньше снижается эффективность измерителя.

При повышении разрешающей способности РЛС по дальности тоже может быть достигнут эффект декорреляции сигналов, принятых непосредственно от источника радиоизлучения и переотраженного земной поверхностью. Это возможно, так как переотраженный сигнал "проходит" более длинный путь и, следовательно, запаздывает относительно основного сигнала. Следует заметить, что в интересующей нас зоне малых углов величина разности "путей" сигналов оказывается весьма незначительной.

В случае экранирования ФАР "забором" возможно прямое воздействие на переотраженный земной поверхностью сигнал посредством экранирования или поглощения его.

Необходимо отметить, что реализация перечисленных выше мер [1] связана с серьезными трудностями. Так, уменьшение ширины диаграммы направленности связано с необходимостью увеличения вертикальных размеров ФАР. Ясно, что это усложняет ее конструкцию и приводит, например, к снижению мобильности РЛС. Необходимое повышение разрешающей способности по дальности (< 1 м) столь велико, что из-за изменения структуры сигналов требует принципиально новых подходов к обработке столь широкополосных сигналов как по элементной базе, так и в алгоритмической части. Использование экранирующих "заборов" связано с необходимостью сооружения сложных и трудоемких конструкций, удаленных от РЛС.

Рассмотренные здесь меры характерны тем, что, устраняя мешающее действие сигнала земной поверхности, они не изменяют существа обработки сигналов для определения угломестной координаты. При этом используются совмещение во времени сигналов, принятых всеми элементами ФАР, и когерентное их суммирование.

Таким образом, среди устройств определения угломестной координаты источника радиоизлучения находят широкое применение устройства, содержащее антенные элементы и фазовращатели, элементы задержки или матричные устройства. В связи с этим в качестве прототипа принято устройство определения угломестной координаты для РЛС с ФАР [2, стр. 77] как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому эффекту.

Это устройство содержит антенные элементы с линиями передачи и согласующими нагрузками, суммирующие волноводы с согласующими нагрузками и направленными ответвителями, канальные приемники, соответствующие приему сигналов с различных углов места, устройство выбора луча, вычислитель высоты и индикатор.

Сущность работы устройства заключается в образовании парциальных каналов по угломестной координате за счет обеспечения полной когерентности суммируемых сигналов, принятых от некоторых источников радиоизлучения. При этом положения отсчетов сигналов с одинаковыми значениями фаз для источников радиоизлучения с различными угломестными координатами в линиях передачи не совпадают. Именно это позволяет производить селекцию и определение угломестной координаты. Происходит это в устройстве, принятом за прототип, следующим образом.

Электромагнитная волна, падающая под некоторым углом места Θ₁, достигает антенных элементов ФАР последовательно, начиная с верхних. Поэтому равнофазный фронт сигналов в линиях передачи будет расположен на прямой линии, положение которой зависит от положения фронта падающей волны и, следовательно, от угла Θ₁. Суммирующие волноводы через направленные ответвители отбирают сигналы из линий передачи. Когерентное суммирование сигналов в суммирующем волноводе будет происходить при условии совпадения равнофазного фронта волны в линиях передачи и точек подключения к ним суммирующего волновода.

Таким образом, для данного суммирующего волновода существует определенный фронт электромагнитной волны, а значит, и угол места источника излучения, при котором сигналы когерентно суммируются в данном волноводе. По мере изменения угла места источника когерентность сигналов в данном суммирующем волноводе нарушается, так как изменяется положение равнофазного фронта, и для его восстановления необходимо использовать другой суммирующий волновод с иным расположением точек соединения его с линиями передачи. С этой целью в устройстве предусмотрено несколько суммирующих волноводов для приема сигналов от источника со всеми возможными углами места. После них включены приемники для фильтрации и детектирования сигналов. На выходе этих приемников включено устройство выбора луча, которое выбирает каналы с максимальными сигналами и по соотношению амплитуд этих сигналов определяет точное значение угла места.

Количественные соотношения подтверждают сущность работы известного устройства, принятого за прототип. Действительно для вертикально ориентированной ФАР с равномерно расположенными через расстояние d антенными элементами и источника излучения с углом места Θ имеем следующие соотношения.

Сигнал, принимаемый ФАР в m-ом элементе Прием синфазно фронта (ϕ_фр=const) сигнала (1) в антенных элементах происходит в моменты времени Видим, что при Θ>0 верхние элементы ФАР принимают сигнал раньше, чем нижние. В линиях передачи геометрическое положение синфазного сигнала определяется углом Θ и параметром d. Таким образом, в линиях передачи сохраняется рассредоточение синфазных фронтов входной электромагнитной волны в зависимости от углов q. Поэтому подключение в точках с одинаковыми фазами сигналов суммирующего волновода обеспечивает когерентность сигналов (1) при суммировании. Так происходит в случае, когда точки подключения суммирующего волновода точно соответствуют положению синфазных точек сигналов, принятых с данного угла места. В общем случае для источника излучения с углом q и суммирующего волновода с набегом фаз, пропорциональным Dv, образуется сигнал U_в, модуль которого Это выражение для амплитуды сигнала в канальном приемнике показывает зависимость ее от изменения угла Θ источника излучения. Как известно, это выражение показывает, что с помощью рассматриваемого устройства создается диаграмма направленности, ширина которой соответствует вертикальному размеру (Мd) ФАР.

Для точного определения угла q используют парциальные каналы и метод сравнения сигналов на выходе их. Таким образом, производят сравнение амплитуд сигналов приемных каналов, образованных соединенными суммирующими волноводами, то есть . При этом получается монотонно меняющаяся (однозначная) кривая, определяющая калибровку измеряемого угла в пределах половины ширины диаграммы направленности.

Применение устройства, принятого за прототип, в условиях, когда существует сигнал, переотраженный земной поверхностью, приводит к снижению эффективности измерений в области малых углов Θ<ΔΘ_д. Это связано с невозможностью разделения в пределах ширины диаграммы направленности ФАР (ΔΘ_д≈λ/Md) сигналов, поступаемых непосредственно от источника и переотраженных земной поверхностью (2, 4). В этих условиях при идеально отражающей земле кроме сигнала (1) в m-ом элементе ФАР присутствует еще сигнал При малых Θ положения синфазных точек этих сигналов в линиях передачи близки и сигналы U_m3 при суммировании искажают сигнал, принимаемый непосредственно от источника. В результате этого возникают дефекты у калибровочной кривой. В некоторой области углов уменьшается до нулевой крутизны ее, в другой нарушается монотонность. Именно эти обстоятельства и вызывают снижение эффективности известного устройства в области малых углов q, так как измерение становится практически невозможным.

Следует отметить серьезность этого недостатка известного устройства. Действительно в работе [1] подробно рассмотрены особенности определения угломестных координат ВО в условиях наличия сигнала, переотраженного земной поверхностью, и анализируются мероприятия для устранения его мешающего влияния.

Как указывалось ранее, для этого, например, можно уменьшать ширину диаграммы направленности ФАР в вертикальной плоскости, увеличивать разрешающую способность РЛС по дальности или экранировать ФАР "забором". Необходимо отметить, что реализация этих мероприятий существенным образом влияет на характеристики РЛС. Например, необходимое (требуемое) увеличение разрешающей способности выбирается из условия временного разрешения сигналов, принимаемого непосредственно от источника радиоизлучения и переотраженного земной поверхностью. Нетрудно показать, что для ФАР с вертикальным размером Мd, расположенной на земной поверхности, при угле места источника q₁ требуется сигнал с полосой частот

Здесь рассмотрен случай предельно низких углов Θ порядка ширины диаграммы направленности ФАР, равной Dq_д=λ/Md..

В соответствии с (5) требуемая полоса больше несущей частности сигнала. Таким образом, при требуемом увеличении разрешающей способности необходим переход к сигналам совершенно нового типа сверхширокополосным негармоническим сигналам. Генерирование, прием и обработка таких сигналов в настоящее время настолько сложны, что реализация этого метода практически исключена.

Как следует из (5), для снижения требований к Δf_s возможно увеличение подъема антенны над земной поверхностью. Однако эта мера, как и увеличение вертикального размера ФАР, связана с усложнением конструкции ФАР, увеличением ее массогабаритных характеристик и, как следствие, приводит к снижению мобильности РЛС, то есть ограничивается область использования таких устройств.

Применение экранирующего "забора" связано с созданием сложных экранов или поглощающих структур. Расположение этих экранов не должно искажать сигнальные СВЧ-поля сигналов, принимаемых непосредственно от источника радиоизлучения. Реализация этого мероприятия связана с выполнением компромиссных требований. Кроме этого, ясно, что габариты этих устройств должны быть существенно больше, чем габариты ФАР.

Сложность рассмотренных технических решений не позволяет считать их реализуемыми и еще раз подчеркивает актуальность задачи повышения эффективности устройств определения угломестной координаты в условиях мешающего действия сигнала, переотраженного земной поверхностью.

Целью настоящего изобретения является повышение точности определения угломестной координаты в области малых значений ее (Θ<λ/Md) при наличии сигналов, переотраженных земной поверхностью, за счет использования информации, связанной с фазовой структурой сигналов, принятых от источника радиоизлучения, посредством использования обобщенного двухквадратурного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, взятое за прототип и содержащее М антенных элементов, являющихся входом устройства, N канальных приемников, соответствующих приему сигналов с различных углов места, устройство выбора луча и вычислитель высоты с индикатором, согласно изобретению в каждом из М антенных каналов включены последовательно приемник и двухквадратурные фазовые детектор и аналого-цифровой преобразователь, объединенные по выходам М-входовым двухквадратурным преобразователем сигналов, М двухквадратурных выходов которого и соответственно М выходов аналого-цифрового преобразователя подключены к многовходовому объединителю сигналов, М квадратурных выходов которого соединены с соответствующими входами фазовращателей, а выходы каждого из них соединены с входами упомянутых канальных приемников, присоединенных к последовательно соединенным упомянутым устройству выбора луча и вычислителю высоты с индикатором. Приведены конкретно выполненные преобразователь и объединитель сигналов.

На фиг. 1 изображена структурная схема предложенного устройства, а на фиг. 2 и 3 соответственно преобразователя сигналов и объединителя, где 1 - антенный элемент, 2 приемник, 3 двухквадратурный фазовый детектор, 4 - двухканальный аналого-цифровой преобразователь, 5 М-канальный двухквадратурный преобразователь сигналов, 6 2М-канальный двухквадаратурный преобразователь сигналов, 7 М-канальный двухквадратурный фазовращатель, 8 - канальный приемник, соответствующий приему сигналов определенного угла места, 9 устройство выбора луча, 10 вычислитель высоты с индикатором, 11 умножитель, 12 М-входовый сумматор, 13 электронный коммутатор, 14 - запоминающее устройство, 15 сдвиговый регистр, 16 генератор опорного напряжения (функции), 17 двухвходовый сумматор, 18 инвеpтор, 19 - устройство задержки, V₀, V₀₁ входы для подключения источника сигналов управления, Re и Im обозначение действительной и мнимой составляющих сигналов.

На фиг.4, 5, 6 изображены эпюры сигналов в некоторых характерных точках заявленного устройства. При этом использованы обозначения:
t время;
Т_г период повторения сигналов;
τ₁ задержка сигнала;
U₀ сигналы синхронизации;
U₁, U₂,U_м сигналы после фазового детектора в каналах ФАР;
Т_кв период квантования;
V₀ сигналы управления;
V₁, V₂,V_м сигналы после преобразователя;
S_in, S_2n,S_мn сигналы после n-го фазовращателя;
S_п сигнал после канальных приемников;
V₀₁ сигнал управления преобразователем сигнала;
Т_кв1 период следования сигнала U₀₁;
Г1, Г2,ГМ опорные функции (напряжения) на выходе генератора;
S₁₂ сигналы на выходе сумматора;
S₁₃₁, S₁₃₂,S_13м сигналы на выходе электронного коммутатора;
S₁₅₁, S₁₅₂,S_15м сигналы сдвигового регистра;
S₁₄₁, S₁₄₂,S_14м сигналы на выходе второго ЗУ;
S₁, S₂, S₃ сигналы на выходе трех соседних канальных приемников;
γ₁₂, γ₂₃ отношения сигналов трех соседних канальных приемников;
d₁ расстояние от земной поверхности до первого элемента ФАР;
d расстояние между соседними элементами ФАР;
1,2,3.m,м номера элементов ФАР;
Θ угол места источника радиоизлучений;
AB фронт падающей волны сигнала;
OO земная поверхность.

Заявленное устройство состоит из М антенных элементов 1, после которых в каждом из М каналов ФАР включены последовательно соединенные приемники 2, двухквадратурный фазовый детектор 3 и двухканальный аналого-цифровой преобразователь 4. Выходы М аналого-цифровых преобразователей 4 объединены М-канальным двухквадратурным преобразователем сигнала 5, М двухквадратурных выходов которого вместе с М двухквадратурными выходами аналого-цифровых преобразователей 4 подключены к М входам объединителя сигналов 6. К двухквадратурным выходам его подключены параллельно входы фазовращателей 7. М двухквадратурных выходов каждого из них соединены соответственно с М входами канальных приемников 8, соответствующих определенным углам места. N выходов канальных приемников 8 соединены с устройством выбора луча 9, к выходу которого подключен вычислитель высоты и индикатор 10. Аналого-цифровой преобразователь 4 и преобразователь сигналов 5 имеют входы для подключения источника сигналов управления V₀ и V₀₁, а фазовые детекторы 3 - входы для подключены источника опорного напряжения.

Устройство работает следующим образом. Принятые антенными элементами ФАР 1 сигналы после усиления и фильтрации в приемниках 2 поcтупают на двухквадратурные фазовые детекторы 3, которые имеют вторые входы для подключения генератора синфазных опорных колебаний (источник которых не показан на фиг.1) той же частоты, что и детектируемый сигнал. Обе квадратуры полученного в фазовом детекторе 3 сигнала преобразуются в преобразователе 4, на выходе которого тоже получаются две квадратуры оцифрованного входного сигнала. С учетом всех М каналов ФАР преобразователь сигналов 5 имеет М двухквадратурных входов и столько же выходов. В объединителе 6 производится объединение 2М двухквадратурных сигналов с выходов М аналого-цифровых преобразователей 4 и М преобразователей сигнала 5. При этом снова образуются М двухквадратурных сигналов, поскольку в объединителе 6 основная компонента сигнала дополняется преобразованной ортогональной. Далее производится образование парциальных диаграмм направленности путем когерентного суммирования всех М сигналов. Для этого производится необходимый сдвиг фазы сигналов в N фазовращателях 7. При этом сдвиг фазы в каждом фазовращателе 7 пропорционален номеру канала ФАР, а коэффициенты пропорциональности в разных фазовращателях 7 различны. После сдвига фазы сигналы поступают на устройство выбора луча 9, где на основе известной методики (известным образом) определяются максимальные значения сигналов. Информация о точном значении угла q определяется в устройстве 10, где вычисляется высота и производится отображение полученной информации.

Для правильного согласования работы упомянутых выше блоков заявленного устройства имеются входы для подключения источника сигналов управления у аналого-цифровых преобразователей 4 и преобразователя сигналов 5.

Эпюры на фиг.4, 5, 6 изображают сигналы в характерных точках заявленного устройства и поясняют его работу. Рассмотрен наиболее сложный и характерный случай, когда сигнал источника радиоизлучения является импульсным и периодическим.

На эпюре фиг.4 U₀ изображает импульсы с периодом повторения Т_г, которые определяют моменты обновления сигналов. В случае радиолокации это могут быть таковые импульсы РЛС. На той же фиг.4 эфиры U₁,U_м отображают сигналы на выходе одной квадратуры фазовых детекторов 3. Сигналы источника радиоизлучения, изображенные на этих эпюрах, запаздывают относительно импульсов U₀ на время t₁. Начальная фаза этих сигналов может быть случайной или детерминированной. На рассматриваемой эпюре для большей наглядности отображен случай локации ВО, двигающегося с оптимальной скоростью. При этом в смежных периодах повторения фазы сигналов отличаются на π радиан. Если в первом периоде сигналы U₁,U_м положительные, то в следующем периоде они отрицательные. На эпюре отражен важный факт, заключающийся в наличии модуляции амплитуды сигналов U₁,U_м при изменении номера m канала ФАР. Возникновение этой модуляции обязано интерференции сигналов, поступивших в ФАР непосредственно от источника радиоизлучения и переотраженных земной поверхностью. Если воспользоваться приведенными ранее выражениями (1) и (4), то величина этого сигнала для каждой квадратуры определится из следующего выражения:

Заметим, что рассматривается случай идеальной земной поверхности. Поэтому при получении (6) интерферировали противофазные сигналы. В этих условиях амплитуда сигнала изменяется по гармоническому закону, номер канала m и угол Θ источника излучения являются параметрами этого изменения.

Эпюры вторых квадратур фазовых детекторов 3 отличаются лишь начальными фазами, так как опорные колебания при квадратурном детектировании отличаются на p/2 радиан. Поэтому они не приводятся.

Эпюры V₀ на фиг.4 отображают импульсы квантования. Они периодические и следуют с интервалом Т_кв. Величина его выбирается в соответствии с теоремой Котельникова и для сигнала длительностью Т_и необходимо Т_кв≅Т_и. Импульсы квантования управляют работой аналого-цифрового преобразователя 4. В результате этого с поступлением каждого нового импульса V₀ на выходе 4 образуется цифровой код сигнала, действующего на входе аналого-цифрового преобразователя 4. Как видно из эпюр U₁,U_м и V₀, цифровой код сигнала будет образовываться не менее одного раза за время действия сигналов. Импульсы V₀ (источник не показан) используются для синхронизации всех аналого-цифровых преобразователей 4. Цифровые коды сигналов во всех М каналах обновляются синхронно. Поскольку эти сигналы отличаются от сигналов U₁,U_м лишь цифровой формой, то эпюры их опущены.

В преобразователе 5 сохраняются цифровая форма сигнала и его длительность, и они объединяются в блоке 6 без изменения их длительности. Таким образом, сохраняется период Т_кв, определяющий моменты обновления кодов сигнала.

Преобразование сигналов с блоке 5 производится на основании преобразования Гильберта. В результате этого происходит устранение мешающего действия переотраженного сигнала и вследствие этого сигнал на выходе объединителя 6 оказывается немодулированным. На эпюре V₁,V_м (фиг.4) изображены сигналы той же квадратуры на выходе объединителя 6. Видно, что после преобразования величина сигнала с изменением номера канала тоже меняется. Однако в этом случае (после преобразования) в отличие от (6) изменение сигнала определяется только сигналом (1) и для одной квадратуры составляет
(7)
Здесь Ψ_o определяется начальными фазами сигнала и опорных колебаний.

Эпюры S_1n,S_мn отображают сигналы на выходе фазовращателя 7 в канале с номером n. В этом n-ом канале после сдвига фаз сигналы оказались синфазными, так как сдвиги фаз фазовращателя 7 и фазы сигналов были согласованы. Поэтому далее для сигналов именно этого канального приемника (одного из N) оказывается возможным когерентное суммирование всех М сигналов. Эпюра S_mn (фиг.4) отображает результат накопления и детектирования в блоках 8. Как и следовало ожидать, сигналы в смежных периодах на эпюре не отличаются, поскольку использовалось амплитудное детектирование.

В других парциальных каналах сигналы поcле фазовращателя сохраняют модуляцию амплитуды. Это происходит из-за несогласованности начальных фаз сигналов и значений Δϕ, пропорционально которым производится сдвиг фазы сигнала в фазовращателях 7 этих каналов. В этих каналах когерентного накопления сигнала не происходит.

На эпюре S_n (фиг.5) изображены амплитуды сигналов на N выходах канальных приемников 8. Как указывалось ранее, сдвиг фазы Dv связан с номером n канального приемника 8. Поэтому амплитуды на выходе канальных приемников 8 образуют дискретные выборки диаграммы направленности ФАР. Видим, что лишь в двух каналах сигналы максимальны. Они соответствуют выборкам, приходящимся на основной лепесток диаграммы направленности. Именно эти дискреты позволяют определить точное значение угла места q.

Следует отметить, что эпюры V₁,_м и S_n на фиг.4 отображают сигналы в аналоговой форме. В действительности эти сигналы существуют в устройстве в цифровом коде. Однако отображение их на эпюре в таком виде и восприятие такой информации затруднительно и поэтому заменено обычной аналоговой формой, доступной непосредственному восприятию.

Эпюры U₀, V₀ и V₀₁ отображают сигналы управления для согласования работы отдельных блоков устройства во времени. Сигналы U₀ представляют импульсы, определяющие периодичность работы устройства. В случае радиолокации такими сигналами могут быть зондирующие или тактовые импульсы. Сигналы V₀ используются для одновременного управления всеми аналого-цифровыми преобразователями 4. Именно эти сигналы определяют моменты времени, в которые в блоке 4 производится кодирование входных сигналов. Эти сигналы периодические. Период их Т_кв и длительность сигнала связаны согласно теореме Котельникова Т_кв≅Т_и. Целесообразно, чтобы сигналы имели кратные периоды, поскольку это упрощает работу с устройством.

Сигналы V₀, V₀₁ используются для управления преобразователем сигнала 5. В преобразователе обрабатываются М каналов ФАР. Такое преобразование должно закончиться за время действия сигнала (Т_кв). Период следования сигналов V₀₁ должен составлять Т_кв/М. При этом должно выполняться условие синфазности этих последовательностей, т. е. кратности периодов следования их (сигналов V₀, V₀₁). Именно это и отображено на двух последних эпюрах фиг.6, где сигналы V₀, V₀₁ отображены при увеличенном масштабе времени.

Остановимся подробнее на преобразователе сигналов 5 и объединителе 6. Как указывалось выше, поставленная цель достигается за счет восстановления истинной двухквадратурности сигнала. Для этого можно использовать, например, гильбертово преобразование для сигнала. В случае дискретных сигналов это интегральное преобразование переходит в следующую сумму:

Для реализации этого преобразования, как и вообще линейных интегральных преобразований, достаточно иметь умножитель, генератор опорного напряжения (функции) 1/π(m-i) и сумматор. Кроме этого, понадобятся коммутатор и запоминающее устройства (ЗУ) для согласования во времени работы всех элементов устройства.

На фиг. 2 изображена структурная схема такого преобразователя сигналов. На входе его имеются М умножителей 11, соединенных по первым входам с аналого-цифровыми преобразователями 4, по выходам соответственно с М-входовым сумматором 12, а по вторым входам с генератором опорного напряжения (функции) 16. Выход сумматора 12 соединен с электронным коммутатором 13, каждый из М выходов которого соединен с двумя последовательно включенными ЗУ 14, выходы которых являются выходом преобразователя сигналов 5. Отметим, что это устройство двухквадратурное и в нем обрабатывается одинаково каждая квадратура входного сигнала, т.е. все входы и выходы рассматриваемого преобразователя 5 двухквадратурны. Генератор 16 имеет вход для подключения источника сигналов управления V₀₁. Кроме этого, преобразователь сигналов содержит сдвиговый регистр 15, М выходов которого соединены с управляющими входами электронного коммутатора 13 и управляющими входами М первых ЗУ 14. Вход импульсов управления V₀ в регистре 15 соединен с управляющими входами М оконечных ЗУ 14, второй вход регистра 15 соединен с входом источника сигналов управления V₀₁ генератора 16.

Преобразователь сигналов 5 работает следующим образом. Сигналы М каналов поступают на первые входы умножителей 11. На вторые входы этих умножителей поступают выборки опорной функции от генератора 16. При этом значение этой функции во всех М каналах различны (8). Произведения сигналов и опорных напряжений (функций) с выхода умножителей 11 поступают в М-входовый сумматор 12, где суммируются для всех М каналов. Далее сигнал с выхода сумматора 12 поступает на вход электронного коммутатора 13. В соответствии с управляющим сигналом коммутатор 13 подключает сигнал на один из М его выходов. Сигнал на входе умножителей 11 существует во времени на интервале квантования (фиг.4).

Чтобы сохранить временные параметры сигнала при рассматриваемом преобразовании, необходимо за это время М раз изменить отсчеты опорных напряжений (функций) в соответствии с выражением (8). Так, для получения преобразованного сигнала в первом канале (m=1) необходимы отсчеты , для второго канала , третьего и т.д. до М-го канала. Значения опорных функций вырабатываются генератором 16. Для смены значений опорных напряжений (функций) генератор 16 имеет вход для подключения источника сигналов управления V₀₁. За время существования сигналов Т_кв должно произойти М переключений.

Период следования сигналов управления генератором 16 должен быть в М раз меньше интервала квантования. С помощью сдвигового регистра 15 из этих сигналов управления формируются импульсы для управления электронным коммутатором 13. Таким образом, смена значений опорного напряжения (функции) в генераторе 16 и подключение выхода сумматора 13 к входам М первых ЗУ 14 происходит синхронно, т. е. для первой группы отсчетов опорного напряжения (функции) генератора 16 электронный коммутатор 13 соединяет вход и выход для первого канала (m=1), для второй группы отсчетов вход и выход для второго канала (m= 2) и т.д. Таким образом, в каждом из М каналов образуется преобразованный в соответствии с выражением (8) сигнал.

Далее он поступает на последовательно соединенные ЗУ 14. В первом из них сигнал запоминается до конца интервала квантования, а во втором на весь следующий интервал квантования. На вторые входы ЗУ 14 подаются напряжения сигналов управления для предварительного обнуления информации. Выходы вторых ЗУ 14 являются выходами преобразователя сигналов 5.

Эпюры фиг. 6 поясняют работу преобразователя сигналов 5. Эпюры Г изображают отсчеты опорных напряжений (функций). Видим, что на интервале квантования Т_кв (эпюра V₀) на каждом из М выходов генератора 16 производится М изменений отсчетов опорных напряжений (функций). Значения их соответствуют указанным выше значениям, соответствующим выражению (8). Так, например, для первого интервала протяженностью Т_кв/М эти значения изображены на эпюре Г1-ГМ. Аналогично для остальных М-1 интервалов. На эпюре S₁₂ отображен сигнал после сумматора 12. Поскольку значения опорного напряжения (функции) изменяются М раз на интервале Т_кв, то аналогично изменяется и сигнал после сумматора 12, что и изображено на эпюре S₁₂. С помощью коммутатора 13 сигнал после сумматора 12 (эпюра S₁₂) подключается к М каналам. Эпюры этих сигналов изображены на S₁₃₁, S₁₃₂,S_13м. Для управления электронным коммутатором 13 в сдвиговом регистре 15 формируется последовательность импульсов, показанная на эпюрах S₁₅₁, S₁₅₂, S_15м. В запоминающих устройствах 14 сигналы запоминаются до окончания ближайших интервалов квантования. Эти сигналы изображены на эпюрах S₁₃₁, S₁₃₂, S_13м (пунктирная линия) для первого ЗУ 14 и на эпюрах S₁₄₁, S₁₄₂,S_14м для второго ЗУ 14. Как и ранее сигналы изображены для наглядности в аналоговой форме.

На фиг. 3 изображена структурная схема объединителя сигналов 6. Объединитель сигналов 6 состоит из 2М сумматоров 17, М инверторов 18 и 2М устройств задержки 19. У него 2М двухквадратурных входов. М входов для действительной компоненты сигналов (преобразованной в блоке 5) соединены с входами М инверторов 18. Выходы инверторов 18 соединены соответственно с первыми входами М первых сумматоров 17. Вторые входы этих сумматоров через устройства задержки 19 соединены с входами для мнимых составляющих (непреобразованных) входного сигнала. Выходы М указанных сумматоров 17 образуют выходы объединителя 6 для мнимой составляющей сигналов. Первые входы М оставшихся сумматоров 17 соединены соответственно через устройства задержки 19 с М входами для действительной непреобразованной, а вторые входы этих сумматоров с М входами мнимой преобразованной в блоке 5 составляющими сигналов. Выходы этих М вторых сумматоров 17 вместе с выходами М первых сумматоров 17 образуют М двухквадратурных выходов объединителя сигналов 6.

Работает объединитель 6 следующим образом. К 2М входам его подаются двухквадратурные сигналы, а на выходе образуется М двухквадратурных сигналов. Действительные составляющие М выходных сигналов образуются суммированием в М сумматорах 17 (нижних на фиг.4) М действительных составляющих сигналов, поступающих непосредственно от аналого-цифровых преобразователей 4, и М мнимых составляющих этого сигнала, предварительно преобразованных в преобразователе сигналов 5. Ранее указывалось, что в преобразователе сигналов 5 сигналы задерживаются на время Т_кв. Поэтому в объединителе 5 сигналы с выходов аналого-цифровых преобразователей 4 перед суммированием задерживаются в устройствах задержки 19 на время Т_кв. М мнимых составляющих выходного сигнала объединителя образуются в М других сумматорах 17 (верхние на фиг.4). При этом на вход этих сумматоров 17 подаются через устройства задержки 19, где производится задержка сигналов на Т_кв, М мнимых составляющих сигналов от аналого-цифровых преобразователей 4 и М действительных составляющих этих сигналов после предварительного преобразования их в преобразователе сигналов 5 и изменения знака в инверторах 18, имеющихся в объединителе сигналов 6. Инверторы 18 изменяют знак сигналов, действующих на их входах, на противоположный, т.е. плюс на минус и соответственно минус на плюс.

Таким образом, в объединителе сигналов 6 производится следующая линейная операция над сигналом:
ReS₆(m)=ReS₄(m)+ImS₅(m);
ImS₆(m)=ImS₄(m)-ReS₅(m). (9)
Здесь m=1,2,М номер канала ФАР;
S₆, S₄, S₅ соответственно сигналы на выходе объединителя сигналов 6, преобразователей 4 и 5;
ReS, ImS соответственно действительная и мнимая составляющие сигналов.

Если учесть преобразование в блоке 5, что соотношения (9) можно дополнить уравнением связи, определенным ранее (8):
ImS₅(m)=G{ImS₄(m)}
ReS₅(m)=G{ReS₄(m)}
Здесь G{·} определяет интегральный (дискретный) оператор из (8).

Как следует из вышеизложенного, преобразователь 5 и объединитель сигналов 6 содержат стандартные элементы (умножители, сумматоры, коммутаторы, запоминающие устройства, инверторы и др.) для обработки сигналов. Генератор опорных напряжений (функций) 16 в устройствах цифровой обработки выполняется на основе постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). В отличие от обычных ЗУ в ПЗУ предварительно записывается необходимая информация и затем эта информация считывается в требуемые моменты времени. В нашем случае такой информацией являются упомянутые выше М² значений опорных напряжений (функций) (8).

Для оценки эффективности заявленного устройства было проведено моделирование его работы с помощью ЭВМ. При этом сигналы от источника радиоизлучения принимались в форме (1) и в форме (4) для переотраженного луча. Для последнего учитывалась величина модуля коэффициента отражения Гс, т.е. использовалось несколько его значений 0; -0,33; -0,66; -1. Эти сигналы суммировались в элементах ФАР, преобразовывались согласно выражению (8), объединялись (9) и далее сдвигались по фазе, суммировались и детектировались (3). При этом рассматривались три соседних парциальных диаграммы направленности, начиная с диаграммы направленности, соответствующей оптимальному приему сигналов от источника радиоизлучений с нулевого угла места. В соответствии с (3) для этого канала необходимо Δϕ=0. Для выбранных трех каналов подсчитывались выходные сигналы для разных значений угла Θ источника излучений. В результате этого получались зависимости S₁(Θ), S₂(Θ), S₃(Θ). Кроме этого, определялись отношения амплитуд сигналов соседних каналов γ₁₂(Θ)=S₁(Θ)/S₂(Θ), γ₂₃(Θ)=S₂(Θ)/S₃(Θ). Эти функции позволяют уточнять значение угла Θ..

Использование изобретения позволит повысить точность определения угломестной координаты в области малых значений (Θ≅ λ/Md) при наличии сигналов, переотраженных земной поверхностью, за счет использования информации, связанной с фазовой структурой сигналов.

Формула изобретения

Устройство определения угломестной координаты источника радиоизлучения, содержащее М каналов, включающих М антенных элементов, N канальных приемников, выходы которых соединены с соответствующими входами блока выбора луча, выход которого соединен с входом вычислителя высоты с индикатором, отличающееся тем, что в каждом из М каналов к выходу антенного элемента подключены последовательно соединенные приемник, двухквадратурные фазовый детектор и аналого-цифровой преобразователь, М-входовый двухквадратурный преобразователь сигналов, многовходовый объединитель сигналов и N фазовращателей, при этом выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами М-входового двухквадратурного преобразователя сигналов, М двухквадратурных выходов которого и М выходов аналого-цифровых преобразователей подключены к соответствующим входам многовходового объединителя сигналов, М двухквадратурных выходов которого соединены с входами соответствующих N фазовращателей, М двухквадратурных выходов каждого из которых соединены с соответствующими входами каждого из N канальных приемников,
вторые входы аналого-цифровых преобразователей и дополнительные входы М-входового двухквадратурного преобразователя сигналов являются входами сигналов управления, а вторые входы фазовых детекторов являются входами сигналов генератора опорного напряжения, М-входовый двухквадратурный преобразовать сигналов содержит М умножителей, первые входы каждого из которых являются входами преобразователя сигналов, а вторые входы соединены с М выходами генератора опорных напряжений, выходы умножителей соединены с соответствующими входами М-входового сумматора, выход которого соединен с входом электронного коммутатора, к каждому из М выходов которого подключены два последовательно соединенных между собой запоминающих блока, выходы каждого второго запоминающего блока являются М двухквадратурными выходами преобразователя сигналов,
сдвиговый регистр, первый вход которого соединен с входом генератора опорного напряжения и является первым входом сигнала управления, а выходы подключены к управляющим входам первых запоминающих блоков и электронного коммутатора, второй вход регистра сдвига является вторым входом сигнала управления и соединен с управляющими входами вторых запоминающих блоков, а многовходовый объединитель сигналов содержит 2М сумматоров, выходы которых являются М двухквадратурными выходами объединителя сигналов, М инверторов и М блоков задержки, первые входы М первых и М вторых сумматоров подключены к входам объединителя сигналов соответственно через М инверторов и М блоков задержки, а вторые входы 2М сумматоров подключены к остальным 2М входам объединителя сигналов соответственно через блоки задержки и непосредственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6