Способ формирования характеристики направленности дискретной приемной антенной решетки

 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к технике дискретных приемных антенных решеток, например в акустике, когда приемная антенна сформирована из гидрофонов или микрофонов. Предалагемый способ включает в себя составление групп приемных элементов антенны, первая из которых составлена с шагом , а последующие - с большим шагом, причем фазовые центры всех групп совмещены, а также введение временных задержек в принятые приемными элементами сигналы. Отличия предлагаемого способа состоят в том, что отсчеты сигналов групп приемников подвергают пространственным преобразованиям Фурье, а результаты преобразований Фурье групп приемников с шагом больше половины длины волны нормируют относительно максимального спектрального отсчета в основных лепестках их характеристики направленности. Полученные результаты преобразований Фурье перемножают и суммируют произведения. 3 ил.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к технике дискретных антенных решеток, и может быть использовано для формирования характеристик дискретных приемных антенн, например, в акустике, когда приемная антенна сформирована из микрофонов или гидрофонов, либо в других областях науки и техники.

Для получения высокой пространственной избирательности антенной решетки увеличивают ее длину, т.к. ширина характеристики направленности антенны Δϕ при заданной длине волны λ определяется формулой (см. Смарышев М.Д., Добровольский Ю. Ю. Гидроакустические антенны: Справочник. -Л.: Судостроение, 1984) где L - линейная длина антенны.

Дискретная антенна имеет один главный максимум характеристики направленности, если приемные элементы расположены с шагом не более половины длины волны.

В качестве прототипа принят способ формирования характеристики направленности дискретной приемной антенной решетки (патент РФ N 1838852, заявл. 12.12.90, опубл. 30.08.93, автор - Ю.П.Медведев). Сущность его заключается в том, что приемные элементы разбивают на группы, первая из которых составлена из приемных элементов с шагом не более половины длины волны, а следующие - с большим шагом. Сигналы с выходов приемных элементов задерживают для управления характеристикой направленности и суммируют для каждой группы приемников, а затем перемножают уровни суммарных сигналов групп приемных элементов. Этот способ позволяет значительно сократить число приемных элементов и, следовательно, сократить число усилителей, каналов связи, линий задержки, т.е. упростить аппаратуру в целом.

Недостатки способа-прототипа состоят в следующем.

На выходе схемы имеем уровень принятого сигнала, а не сам сигнал, что исключает возможность оптимальной обработки принятого сигнала.

Способ имеет пониженную помехоустойчивость. Действительно, если, например, сосредоточенная в пространстве помеха попадает в единичный побочный максимум группы приемных элементов с большим шагом, ее уровень измеряется и участвует в формировании выходного сигнала. То же можно сказать и о пространственно распределенной помехе.

Задачей заявляемого изобретения является повышение помехоустойчивости неэквидистантной приемной антенной решетки при сохранении числа приемных элементов.

Технический результат достигается тем, что приемные элементы и соответствующие им компенсирующие линии задержки разбивают на N групп, причем первая из них состоит из приемных элементов, расположенных с шагом , а последующие - из расположенных с шагом d_i ≅ d_i-1 · K_i, где i = 1, 2,..., N - номер группы; K_i - коэффициент разрежения i-й группы, причем фазовые центры всех групп совмещены.

После введения компенсирующих временных задержек выполняют пространственные преобразования Фурье сигналов, принятых каждой группой приемных элементов. Результат преобразования Фурье сигналов групп приемных элементов с большим шагом нормируют относительно максимального спектрального отсчета в основном лепестке их характеристик направленности. Затем перемножают полученные результаты преобразований Фурье и суммируют результаты перемножения, после чего осуществляют низкочастотную фильтрацию полученного временного ряда.

Наличие отличительных признаков - новых операций в способе - удостоверяет новизну предлагаемого технического решения. Заявителю и авторам не известны другие технические решения со сходными признаками.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - характеристики направленности первой (первичная) и второй (вторичная) групп приемных элементов, каждая из которых составлена из 7 элементов, коэффициент разрежения K₂ = 7; на фиг. 3 - результирующая характеристика направленности дискретной приемной антенны.

Сущность предлагаемого способа поясняется на примере дискретной антенны, составленной из двух групп, каждая из которых содержит по 7 приемных элементов. Первая группа составлена из элементов 1₁...1₇ (см. фиг. 1), расположенных с шагом . Следовательно, эта группа приемных элементов имеет однолепестковую характеристику направленности. Вторая группа составлена из приемных элементов 2₁. ..2₇, расположенных с шагом , вследствие чего эта группа имеет многолепестковую характеристику направленности с несколькими единичными максимумами. Центральный приемный элемент общий для обеих групп, благодаря чему их фазовые центры совпадают. Выходы приемных элементом 1₁. . . 1₇ соединены со входами первых управляемых линий 3₁...3₇ задержки, а выходы второй группы приемных элементов 2₁...2₇ соединены со входами вторых управляемых линий 4₁...4₇ задержки. Выходы первых линий 3₁...3₇ соединены со входами первого преобразователя 5 Фурье, выходы которого подключены к первой группе входов перемножителя 6. Выходы вторых линий 4₁...4₇ задержки соединены со входами второго преобразователя 7 Фурье, выходы которого через нормализатор 8 подключены ко второй группе входов перемножителя 6. Выходы перемножителя 6 через сумматор 9 соединены с выходом устройства в целом.

В основу работы предлагаемого способа, как и в способе-прототипе, положено перемножение однолепестковой и многолепестковой характеристики направленности. Но в отличие от способа-прототипа предлагается это перемножение выполнять в области пространственных спектров, для чего в схему устройства для реализации предлагаемого способа введены первый и второй преобразователи 5 и 7 Фурье. Технически проще выполнять дискретное преобразование Фурье, например, с использованием одного из алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) (см. например, Макклеллан Дж. Х., Рейдер Ч.М. Применение теории чисел в цифровой обработке сигналов. - М.: Радио и связь, 1983). Для этого в схему устройства должны быть введены аналого-цифровые преобразователи, не показанные на фиг. 1. Они могут быть расположены непосредственно около приемных элементов, как в используемых в морской сейсморазведке цифровых сейсмокосах. Тогда управляемые линии 3₁...3₇ и 4₁...4₇ задержки выполняются цифровыми. Если же дискретная антенна и линии задержки выполнены в аналоговой технике, АЦП вводятся с состав преобразователей 5 и 7 Фурье. В любом случае, все АЦП должны работать синфазно, т. е. от одного общего тактового генератора (на фиг. 1 он также не показан).

Взятые синфазно отсчеты сигналов на выходах приемных элементом 1₁...1₇ и 2₁. . .2₇ обеих групп представляет собой мгновенное распределение амплитуд и фаз принятых сигналов в апертурах этих групп. Результаты БПФ этих распределений на выходах преобразователей 5 и 7 Фурье представляют собой мгновенные отклики групп приемных элементов на пространственное распределение источников сигналов в пространстве.

Для того чтобы результирующая характеристика направленности дискретной приемной антенны была однолепестковой, необходимо, чтобы побочные единичные максимумы характеристики направленности второй группы приемных элементом 2₁. ..2₇ совпадали с нулями характеристики направленности первой группы приемных элементов 1₁. . . 1₇. Согласно указанной выше книге Смарышева М.Д. и Добровольского Ю.Ю. угловое положение нулей Θ_н однолепестковой (первичной) характеристики направленности определяется выражением где m₁ = 1, 2, 3, ..., n₁ - число приемных элементов 1₁...1₇ первой группы, а угловое положение побочных единичных максимумов Θ_м многолепестковой (вторичной) характеристики направленности дается формулой где S₂ = 1, 2, 3, ...

Введем в рассмотрение понятие коэффициента разрежения в виде Тогда, приравняв (2) и (3), с учетом (4) получим
Если K_p= n₁, получаем максимально узкую при заданной длине апертуры результирующую характеристику направленности.

Для получения мгновенного отклика всей приемной антенны в перемножителе 6 выполняется перемножение полученных на выходах преобразователей 5 и 7 Фурье (в области пространственных спектров) мгновенных откликов групп. После суммирования результатов перемножения в сумматоре 9 получаем мгновенное значение сигнала на выходе приемной антенной решетки. Временная последовательность мгновенных значений выходного сигнала с помощью фильтра нижних частот может быть превращена в аналоговую форму.

Чтобы выходной сигнал был пропорционален звуковому давлению в среде, а не его квадрату, в схему введен нормализатор 8. Он выполняет следующую функцию. В пределах центрального лепестка вторичной характеристики направленности (см. указанную выше книгу Смарышева М.Д. и Добровольского Ю.Ю.) определяется максимальный спектральный отсчет, относительно которого производится нормализация полученных на выходах второго преобразователя 7 Фурье отсчетов. Следовательно, спектральные отсчеты на выходах нормализатора 8 становятся безразмерными.

Следует отметить, что число групп приемных элементов может быть увеличено при выполнении условия совпадения угловых положений максимумов характеристик направленности последующих групп с угловыми положениями нулей хотя бы одной из предыдущих.

Таким образом, экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения определится существенным упрощением аппаратуры за счет сокращения числа рабочих каналов. Экономический эффект тем выше, чем более узкой характеристикой направленности должна обладать проектируемая дискретная приемная антенна. Наибольший эффект достигается при реализации по предлагаемому способу пространственных антенных решеток, т.к. эффекты сокращения числа элементов вдоль взаино-перпендикулярных осей перемножаются.

Формула изобретения

Способ формирования характеристики направленности дискретной приемной антенной решетки, включающий в себя составление групп приемных элементов антенны, первая из которых составлена с шагом элементов последующие составлены с шагом d_i ≅ d_i-1 · K_i, где i = 1,2,3, ....... N - номер группы, K_i - коэффициент разрежения, равный числу элементов предыдущей группы, поделенному на номер нуля характеристики направленности предыдущей группы, совпадающий по направлению с первым дифракционным максимумом данной группы, причем фазовые центры всех групп совмещены, и введение компенсирующих временных задержек в принятые приемными элементами сигнала, отличающийся тем, что после введения компенсирующих временных задержек в сигналы приемных элементов выполняют пространственные преобразования Фурье отсчетов сигналов каждой группы приемных элементов, нормируют результаты преобразования Фурье отсчетов сигналов групп приемных элементов с шагом больше половины длины волны относительно максимального спектрального отсчета в основных лепестках их характеристик направленности, затем перемножают полученные результаты преобразований Фурье отсчетов сигналов групп приемных элементов и суммируют произведения, после чего осуществляют низкочастотную фильтрацию полученной временной последовательности мгновенных значений сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3