Способ формирования и сжатия радиосигналов

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в локации. Технический результат состоит в формировании радиосигнала, согласованного с полосой пропускания приемного устройства. Для этого в способе излучают пачку из М радиоимпульсов, каждый на своей частоте, отличающейся от частоты соседнего радиоимпульса на частоту Δ_f. Принимают отраженные от радиоконтрастных объектов радиосигналы, которые усиливают и преобразуют в цифровую форму, причем частоту дискретизации при аналого-цифровом преобразовании устанавливают равной F_ацп=MΔ_f, тем самым формируя М·К амплитуд принимаемых радиосигналов, которые подвергают операциям амплитудного взвешивания и дискретного преобразования Фурье на М точек. Результат упомянутых преобразований: формирование сигналов, сжатых в М раз по сравнению с излученными. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться, в частности, в радиолокации в системах обработки радиолокационных сигналов различного вида.

Улучшение разрешающей способности радиолокационных систем (РЛС) по дальности является устойчивой тенденций их развития. Одним из основных приемов повышения разрешающей способности РЛС по дальности является использование сложных сигналов, база которых существенно больше единицы. Однако применение таких сигналов значительно усложняет аппаратуру РЛС и требует наличия широкополосных приемных устройств, в связи с чем, весьма актуальна задача разработки способов формирования и преобразования сигналов, которые не требуют расширения полосы пропускания приемного устройства РЛС.

Известны способы формирования и сжатия сложных радиосигналов, основанные на внутриимпульсной модуляции излучаемых радиоимпульсов и различных способах сжатия принимаемых радиосигналов в процессе их первичной обработки: Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1975, с.38-42; патенты: SU 675607, 25.07.1979; US 4388729, 14.06.1983; ЕР 0109880 А1, 30.05.1984; US 4484335, 20.11.1984; GB 2197567 А, 18.05.1988; US 5048059 А, 10.09.1991; US 5414728 А, 09.05.1995; JP 07046157 А, 14.02.1995.

Общий недостаток упомянутых способов связан с тем, что для их реализации в РЛС требуются приемные устройства (ПРМУ), в которых существенно, в S раз (где S - коэффициент сжатия сигнала), расширена полоса пропускания, по сравнению с ПРМУ РЛС, в которой используются простые (то есть немодулированные) радиосигналы. Известно [Справочник по радиолокации. /Под ред. М.Сколника, Нью-Йорк, 1970, пер. с анг. под общей ред. К.Н.Трофимова. T.1. Основы радиолокации. Под ред. Я.С.Ицхоки. - М.: Сов. радио, 1976, стр.29, 38-41], что широкополосное ПРМУ, по сравнению с узкополосным, имеет более низкие показатели помехозащищенности и более высокие значения собственных шумов, что приводит в конечном итоге к уменьшению дальности действия РЛС.

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является способ формирования и сжатия импульсного радиосигнала [Патент RU №2154899, C1, 2000.08.20], согласно которому: излучают последовательность из М радиоимпульсов с одинаковыми несущими частотами и амплитудами, но с разными, заранее заданными периодами повторения; принимают отраженные радиоимпульсы; преобразуют их в область низких частот; производят задержку каждого принятого радиоимпульса на время, равное периоду повторения соответствующего излученного радиоимпульса, и накапливают их посредством суммирования, формируя этим узкие импульсы, обеспечивающие высокую разрешающую способность по дальности, которые передают потребителям информации.

Недостаток данного способа формирования и сжатия импульсного радиосигнала связан с тем, что в результате излучения последовательности из М радиоимпульсов с разными периодами повторения формируется широкополосный радиосигнал, требующий для согласованного приема широкополосное ПРМУ, имеющее, по сравнению с узкополосным ПРМУ, более низкие показатели помехозащищенности и более высокие значения собственных шумов.

Таким образом, задачей изобретения является формирование радиосигнала, согласованного с полосой пропускания приемного устройства, оптимизированного на прием одиночного радиоимпульса, и его сжатие при приеме, при котором он приобретает свойства широкополосных сигналов, обеспечивающих высокую разрешающую способность по дальности.

Для доказательства возможности достижения поставленной задачи поясним физические принципы, положенные в основу заявляемого способа формирования и сжатия радиосигналов.

Заявленный способ основан на свойствах когерентных многочастотных радиосигналов с последовательной от импульса к импульсу перестройкой несущей частоты и формированием спектра обрабатываемого сигнала в течение ряда периодов зондирования [Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. - М.: Сов. радио, 1971, стр.240-255].

Известно [Справочник по радиолокации. / Под ред. М.Сколника, Нью-Йорк, 1970, пер. с анг. под общей ред. К.Н.Трофимова. T.1. Основы радиолокации. Под ред. Я.С.Ицхоки. - М.: Сов. радио, 1976, стр.130-131], что элемент разрешения по дальности ρ_д импульсной когерентной РЛС определяется по формуле

ρ_д=0,5сτ_и,

где: τ_и - длительность импульса;

с - скорость света.

Если РЛС в каждом периоде зондирования Т_п излучает радиоимпульс u_изл(t) длительностью τ_и с прямоугольной огибающей и несущей частотой

f_m=f₀+mΔ_f,

где: f_m - частота m-го радиоимпульса;

f₀ - начальная частота;

Δ_f - шаг перестройки частоты;

- номер излученного импульса, а М - число импульсов в излучаемой последовательности (здесь и далее черта над символами означает, что переменная, в данном случае m, принимает целочисленные значения от 1 до максимального значения, в данном случае М, с шагом 1),

то выражение для излучаемой последовательности радиоимпульсов u_изл(t) в комплексной форме можно записать в виде

u_изл(t)=rect(t-mT_п)U_излexp(j2πf_m(t-mT_п)),

где: символ «ехр(...)» здесь и далее означает экспоненциальную функцию;

символ «rect(...)» здесь и далее означает, что выражение, находящееся в круглых скобках, принимает значения, определяемые формулой:

Т_п - период повторения излучаемых радиоимпульсов;

U_изл - амплитуда излучаемых радиоимпульсов;

j - мнимая единица;

t - время.

Известно [Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. - М.: Сов. радио, 1971, стр.245], что функция неопределенности χ(τ,F) излучаемой последовательности радиоимпульсов u_изл(t) определяется выражением:

где: τ - расстройка сигнала по времени;

F - расстройка сигнала по частоте;

- номер опорного импульса;

f_s - частота s-го опорного импульса;

τ'=τ-(m-s)T_п - расстройка сигнала по времени для m-го импульса;

|...| - вертикальные линии означают взятие модуля числа.

При F=0 и обеспечении синфазного сложения сигналов для всех несущих частот, формула для вычисления функции неопределенности χ(τ,F) преобразуется в выражение:

из которого следует, что ширина пика функции неопределенности в области корреляции равна τ_и/М, то есть разрешающая способность РЛС по дальности, при использовании в ней упомянутого сигнала u_изл(t), повысится в М раз по сравнению с РЛС, в которой не используется изменение перестройки частоты излучаемого сигнала от импульса к импульсу.

Итак, согласно заявленному способу.

Задают: τ_и - значение длительности излучаемых радиоимпульсов;

М - константу, определяющую, во сколько раз длительность сжатого импульса должна быть меньше длительности излучаемого радиоимпульса τ_и; в соответствии со значением этой константы задают количество излучаемых радиоимпульсов и количество несущих частот излучаемых радиоимпульсов;

Т_п - период повторения излучаемых радиоимпульсов;

f₁, f_M, Δ_f - соответственно, начальное, конечное значение несущей частоты излучаемых радиоимпульсов и шаг перестройки частоты;

t₀=2Д₀/с, t_к=2Д₀/с+Кτ_и - константы, определяющие временные интервалы, соответственно, начала и окончания приема отраженных радиосигналов и соответствующие начальной Д₀ и конечной Д_к дальностям анализируемого участка местности (см. фиг.1); в приведенных формулах обозначено: с - скорость света; константа, определяющая количество обрабатываемых в одном периоде повторения принимаемых импульсов и соответствующая количеству дискретов по дальности, на которые разбивают анализируемый участок местности:

Излучают М радиоимпульсов (см. фиг.2) с амплитудой U_изл и несущими частотами f_m, задаваемыми для каждого радиоимпульса формулой

где - соответствует номеру излучаемого радиоимпульса.

Время излучения каждого радиоимпульса принимают за начало отсчета.

С момента времени t₀ от начала отсчета до момента времени t_к принимают радиосигналы, отраженные от различных радиоконтрастных объектов (РКО), находящихся на анализируемом участке местности.

Принятые радиосигналы усиливают и известным способом, например описанным в книге [Радиолокационные измерители дальности и скорости. Т.1, В.И.Меркулов, А.И.Перов, В.Н.Саблин и др. / Под ред. B.Н.Саблина. - М.: Радио и связь, 1999, стр.175-176], преобразуют в цифровую форму, причем частоту дискретизации F_ацп при аналого-цифровом преобразовании задают равной

тем самым, формируя М последовательностей из К чисел, каждое из которых соответствует значению амплитуды принимаемого сигнала U_прmk от соответствующего k-го участка дальности (см. фиг.1), причем подстрочный индекс у символа «U_прmk» означает, что соответствующая амплитуда принимаемого сигнала U_прmk получена при приеме радиоимпульса с несущей частотой f_m, а подстрочный индекс определяет порядковый номер амплитуды принимаемого сигнала U_npmk в каждой из М последовательностей.

Значение каждой из амплитуд принимаемого сигнала U_прmk умножают на соответствующую опорную функцию

,

формируя этим последовательность из М·К значений амплитуд импульсов

Полученные значения амплитуд импульсов U_mk запоминают в виде матрицы, размером М×К, причем в ячейках столбцов (сторона К) этой матрицы размещают значения амплитуд импульсов U_mk с одинаковыми значениями k и с возрастающими от 1 до М значениями m, а в ячейках каждой строки (сторона М) - значения амплитуд импульсов U_mk с возрастающими от 1 до К значениями k и с одинаковыми значениями m (см. фиг.3).

Затем над значениями амплитуд импульсов U_mk каждого столбца упомянутой матрицы выполняют известную операцию дискретного преобразования Фурье (ДПФ) на М точек, см., например, [С.З.Кузьмин. Цифровая радиолокация. - Киев: Издательство КВiЦ, 2000, стр.102]. В результате выполнения операций ДПФ формируют последовательность значений амплитуд сжатых импульсов, каждая из которых соответствует участку местности, отстоящему от соседнего участка на расстояние ρ_д=сτ_и/М (см. фиг.1). Полученные значения амплитуд импульсов выдают потребителям информации.

На фиг.1 приведена шкала дальности Д, где обозначено: точка 0 - местоположение РЛС; Д₀, Д_к - начальная и конечная дальности анализируемого участка местности; τ_и - длительность излучаемых радиоимпульсов; с - скорость света; цифрами 1, 2, 3 ... К обозначены номера дискретов дальности, каждый из которых имеет протяженность, равную сτ_и; ρ_д=сτ_и/М - элемент разрешения по дальности.

На фиг.2 представлены эпюры излучаемой последовательности радиоимпульсов u_изл, где обозначено: f - частота, f₁, f₂, ..., f_m, ... f_M - частоты излучаемых первого, второго, m-го и М-го, соответственно, радиоимпульсов; Δ_f - шаг перестройки частоты излучаемых радиоимпульсов; Т_п - период повторения излучаемых радиоимпульсов; U_и - амплитуда излучаемых радиоимпульсов.

На фиг.3 приведена таблица значений амплитуд принимаемых радиоимпульсов, где М соответствует номеру излученного радиоимпульса, а К - порядковому номеру амплитуды принимаемого сигнала U_прmk в каждой из М принятых последовательностей импульсов.

На фиг.4 приведена упрощенная структурная схема РЛС, в которой может быть реализован заявленный способ формирования и сжатия радиосигналов. На данной фигуре обозначено:

1 - антенная система (АС);

2 - антенный переключатель (АП);

3 - приемное устройство (ПРМУ);

4 - квадратурный фазовый детектор (КФД);

5 - блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

6 - цифровая вычислительная машина (ЦВМ);

7 - передатчик (ПРД);

8 - синхронизатор;

9 - запоминающее устройство (ЗУ).

На фигуре символом РКО обозначены радиоконтрастные объекты.

РЛС, в которой реализован заявленный способ формирования и сжатия радиосигналов, функционирует следующим образом.

В ЗУ 9 вводят и запоминают: значение длительности излучаемых радиоимпульсов τ_и; значение периода повторения излучаемых радиоимпульсов Т_п; f₁, f_M, Δ_f - соответственно, начальное, конечное значение несущей частоты излучаемых радиоимпульсов и шаг перестройки частоты; значения констант М, t₀, t_к и К.

ПРД 7 по синхроимпульсам, поступающим из синхронизатора 8, формирует последовательность из М радиоимпульсов прямоугольной формы, длительностью τ_и, одинаковой амплитуды U_изл, с периодом повторения Т_п и несущими частотами f_m каждого m-го радиоимпульса, задаваемыми формулой (1). Сформированные радиоимпульсы с выхода ПРД 7 через АП 2 поступают в АС 1, которая излучает их в пространство.

К синхронизатору 8, ПРД 7, АП 2, АС 1 заявленный способ формирования и сжатия радиосигналов не предъявляет особых требований: в качестве синхронизатора, передатчика и антенного переключателя могут быть использованы любые из применяемых в настоящее время в РЛС, а в качестве AC 1 - любая из существующих моноимпульсных антенн.

АС 1 принимает отраженные от РКО радиосигналы, которые с ее суммарного выхода через АП 2 поступают на вход ПРМУ 3. ПРМУ 3 по сигналам от синхронизатора 8 открывается на время, определяемое моментами времени t₀ и t_к, и усиливает принятые в это время отраженные от РКО радиосигналы.

К ПРМУ 3 не предъявляется особых требований: в качестве него может быть использовано приемное устройство любой из существующих РЛС, полоса пропускания которого оптимизирована на прием одиночного радиоимпульса прямоугольной формы длительностью τ_и, например, описанное в монографии [Теоретические основы радиолокации. / Под ред. Я.Д.Ширмана - М.: Сов. радио, 1970, стр.127-131].

С выхода ПРМУ 3 усиленные радиоимпульсы поступают на вход КФД 4, который формирует синусную и косинусную составляющие принимаемых радиосигналов.

К КФД 4 не предъявляется особых требований: в качестве него может быть использован любой из существующих, например, квадратурный синхронный детектор, состоящий из двух фазовых детекторов, фазовращателя и двух фильтров низкой частоты, работа которого описана в монографии [Радиолокационные измерители дальности и скорости. T.1, В.И.Меркулов, А.И.Перов, В.Н.Саблин и др. / Под ред. В.Н.Саблина. - М: Радио и связь, 1999, стр.175-176].

Синусная и косинусная составляющие принимаемых сигналов с выхода КФД 4 поступают на вход блока АЦП 5, который их преобразует в цифровую форму и объединяет, формируя единый сигнал, устраняя этим зависимость его амплитуды от случайных начальных фаз принимаемых сигналов. В результате на выходе блока АЦП 5 формируется М последовательностей из К чисел, каждое из которых соответствует значению амплитуды принимаемого сигнала U_прmk от соответствующего участка дальности.

Блок АЦП 5 тактируется частотой F_ацп (2), формируемой в синхронизаторе 8.

К блоку АЦП 5 не предъявляется особых требований: в качестве него может быть использован любой из существующих, например, блок А1Щ, состоящий из двухканального АЦП и двух предварительных сумматоров, описанный в монографии [Радиолокационные измерители дальности и скорости. T.1 В.И.Меркулов, А.И.Перов, В.Н.Саблин и др. / Под ред. В.Н.Саблина. - М.: Радио и связь, 1999, стр.175-179].

ЦВМ 6 получает с выхода блока АЦП 5 упомянутые последовательности амплитуд принятых сигналов U_прmk и выполняет умножение каждой амплитуды U_прmk на опорную функцию

,

формируя этим последовательность из М·К значений амплитуд импульсов U_mk (3). Полученные значения амплитуд импульсов U_mk ЦВМ 6 записывает в ЗУ 9 в виде матрицы, размером М×К, причем в ячейках столбцов этой матрицы записывает амплитуды U_mk с одинаковыми значениями k и с возрастающими от 1 до М значениями m, а в ячейках каждой строки - значения амплитуд импульсов U_mk с возрастающими от 1 до К значениями k и с одинаковыми значениями m.

После этого ЦВМ 6 считывает из ЗУ 9 К раз по М значений амплитуд импульсов U_mk, записанных в столбцах упомянутой матрицы, каждый раз выполняя над ними операцию ДПФ на М точек. Результат выполнения операций ДПФ ЦВМ 6 записывает в ЗУ 9 в виде значений амплитуд сжатых импульсов, выдаваемых из ЗУ 9 потребителям информации, в качестве которых могут быть измерители дальности, скорости и др.

Заявленное устройство, по сравнению с прототипом, имеет лучшее разрешение по дальности, равное сτ_и/М, и при этом:

- спектр излучаемых радиоимпульсов равен ширине спектра одиночного радиоимпульса (1/τ_и);

- полоса пропускания приемного устройства РЛС, в которой реализуется заявленный способ, может быть оптимизирована на прием одиночного немодулированного радиоимпульса;

- частота дискретизации АЦП равна 1/τ_и, то есть соответствует ширине спектра одиночного радиоимпульса.

Заявленный способ, по существу, является альтернативой радиолокации сверхкороткими радиоимпульсами и позволяет в обычной узкополосной РЛС получить требуемое разрешение по дальности, фактически соответствующее системе с большей в М раз широкополосностью.

Способ формирования и сжатия радиосигналов, основанный на излучении радиоимпульсов, приеме отраженных от радиоконтрастных объектов (РКО) радиосигналов и преобразовании их в область нижних частот, отличающийся тем, что задают:

τ_и - значение длительности излучаемых радиоимпульсов,

М - константу, определяющую во сколько раз длительность сжатого импульса меньше излучаемых радиоимпульсов,

Т_п - период повторения излучаемых радиоимпульсов,

f₁, f_M, Δ_f - соответственно начальное, конечное значение несущей частоты излучаемых радиоимпульсов и шаг перестройки частоты.

t₀=2Д₀/с, t_к=2Д₀/с+Кτ_и - константы, определяющие временные интервалы соответственно начала и окончания приема отраженных радиосигналов и соответствующие начальной Д₀ и конечной Д_к дальностям анализируемого участка местности, в приведенных формулах обозначено:

с - скорость света,

-

константа, определяющая количество принимаемых импульсов, обрабатываемых в одном периоде повторения, излучают М радиоимпульсов с амплитудой U_изл, несущими частотами f_m=f₁+mΔ_f где - соответствует номеру излучаемого радиоимпульса, считая время излучения каждого радиоимпульса началом отсчета, во временном интервале t₀-t_k принимают радиосигналы, отраженные от различных РКО, находящихся на анализируемом участке местности, принятые радиосигналы усиливают и преобразуют в цифровую форму, причем частоту дискретизации F_ацп при аналого-цифровом преобразовании устанавливают равной F_ацп=MΔ_f, тем самым формируя М последовательностей из К чисел, каждое из которых соответствует значению амплитуды принимаемого сигнала U_прmk от соответствующего k-го участка дальности, причем подстрочный индекс определяет порядковый номер амплитуды принимаемого сигнала U_прmk в каждой из упомянутой последовательности чисел, значение каждой амплитуды принимаемого сигнала U_прmk умножают на опорную функцию

(где символ "ехр(...)" означает экспоненциальную функцию, j - мнимая единица, π=3,14), формируя этим последовательность из М·К значений амплитуд принятых импульсов

полученные значения амплитуд импульсов U_mk запоминают в виде матрицы размером М×К, причем в ячейках столбцов (сторона К) матрицы размещают значения амплитуд импульсов U_mk с одинаковыми значениями k и с возрастающими от 1 до М значениями m, а в ячейках каждой строки (сторона М) - значения амплитуд импульсов U_mk с возрастающими от 1 до К значениями k и с одинаковыми значениями m, затем над значениями амплитуд импульсов U_mk каждого столбца упомянутой матрицы выполняют известную операцию дискретного преобразования Фурье на М точек, формируя этим последовательность значений амплитуд сжатых импульсов, которые выдают потребителям информации.