Многолучевая адаптивная антенная решетка гидролокатора

 

МНОГОЛУЧЕВАЯ АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ГИДРОЛОКАТОРА, содержащая N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных приемного элемента, усилителя-ограничителя и регистра сдвига с K отводами, а также детектора огибающей и K перемножителей, причем вход детектора огибающей подключен к выходу приемного элемента, а выход - к первым входам перемножителей, вторые входы которых подключены к соответствующему выводу регистра сдвига с K отводами, и K соединенных последовательно сумматоров на N входов и полосовых фильтров, причем входы сумматоров подключены к выходам соответствующих перемножителей каждого канала, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости путем подавления донных отражений в каждом приемном луче, в каждый канал многолучевой адаптивной антенной решетки введены последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый регистры сдвига, причем вход первого регистра сдвига подключен к выходу усилителя-ограничителя, а выход четвертого регистра сдвига подключен к входу регистра сдвига с K отводами, пять управляемых генераторов, три инвертора, четыре переключателя, генератор управляющий функции, схема сравнения, три коррелятора совпадения полярностей, два фазовращателя на 90^o, нуль-орган и дополнительный сумматор, при этом выходы первого и второго управляемых генераторов подключены к управляющим входам первого и второго регистров сдвига соответственно в каждом канале, выход первого переключателя подключен к входу первого управляемого генератора и через первый инвертор - к входу второго управляемого генератора, первый вход первого переключателя через соединенные последовательно схему совпадения и генератор управляющей функции подключен к выходу третьего управляемого генератора, второй вход первого переключателя подключен к выходу генератора управляющей функции, а третий вход-вход опорного напряжения, соединен с вторым входом схемы сравнения, выход которой соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого заземлен, а третий вход через последовательно соединенные дополнительный сумматор и второй коррелятор совпадения полярностей подключен к выходу второго регистра сдвига первого канала, выход второго переключателя через четвертый управляемый генератор подключен к первому входу третьего переключателя, а через второй инвертор и пятый управляемый генератор подключен к второму входу третьего переключателя, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам третьего и четвертого регистров сдвига соответственно в каждом канале, а третий вход - через последовательно соединенные нуль-орган, первый коррелятор совпадения полярностей и первый фазовращатель на 90^o подключен к выходу второго регистра сдвига второго канала, выход нуль-органа через четвертый переключатель подключен к второму входу дополнительного сумматора, второй вход первого коррелятора совпадения полярностей подключен к выходу второго регистра сдвига первого канала, а второй вход второго коррелятора совпадения полярностей соединен с входом первого фазовращателя на 90^o, второй вход четвертого переключателя через последовательно соединенные третий инвертор и третий коррелятор совпадения полярностей подключен к выходу четвертого регистра сдвига первого канала, второй вход третьего коррелятора совпадения полярностей через второй фазовращатель на 90^o подключен к выходу четвертого регистра сдвига второго канала, третий вход четвертого переключателя соединен с входом третьего инвертора, первый вход третьего управляемого генератора является входом запуска, а второй вход - входом управления.

Изобретение относится к гидролокации, конкретно к устройствам обнаружения подводных объектов на фоне помех, обусловленных отражениями от дна моря, и предназначено для обнаружения объектов в придонном слое. Известно двухканальное приемное устройство для гидролокатора, содержащее два полосовых фильтра, три фазовращателя, три коррелятора совпадения полярностей, два сумматора, два амплитудных детектора, блок вычитания, блок сравнения, два переключателя и нуль-орган и предназначенное для подавления донных отражений путем формирования провала в адаптивной диаграмме направленности в направлении на одновременно отражающий участок дна. Это устройство позволяет сформировать только один приемный луч, в котором подавляются донные отражения и сектор сканирования которого ограничен шириной диаграмм направленности парциальных антенн. В то же время в гидролокационных станциях, использующих антенные решетки, формируется веер лучей в азимутальной и угломестной плоскостях, практически все лучи которого подвержены воздействию донных отражений. Наиболее близким техническим решением является многолучевая антенная решетка, содержащая N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных приемного элемента, усилителя-ограничителя и регистра сдвига с К-отводами, а также детектора огибающей и К-перемножителей, причем вход детектора огибающей подключен к выходу приемного элемента, а выход к первым входам перемножителей, вторые входы которых подключены к соответствующему выводу регистра сдвига с К-отводами, и К-соединенных последовательно сумматоров на N входов и полосовых фильтров, причем входы сумматоров подключены к выходам соответствующих перемножителей каждого канала. Недостатком данной антенной решетки является низкая помехоустойчивость в каждом приемном луче при обнаружении объектов на фоне донных отражений. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости многолучевой адаптивной антенной решетки гидролокатора путем подавления донных отражений в каждом приемном луче. Указанная цель достигается тем, что в адаптивную антенную решетку гидролокатора, содержащую N-каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных приемного элемента, усилителя-ограничителя и регистра сдвига с К-отводами, а также детектора огибающей и К-перемножителей, причем вход детектора огибающей подключен к выходу приемного элемента, а выход к первым входам перемножителей, вторые входы которых подключены к соответствующему выводу регистра сдвига с К-отводами, и К-соединенных последовательно сумматоров на N входов и полосовых фильтров, причем входы сумматоров подключены к выходам соответствующих перемножителей каждого канала, введены последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый регистры сдвига, причем вход первого регистра сдвига подключен к выходу усилителя-ограничителя, а выход четвертого регистра сдвига подключен к входу регистра сдвига с К-отводами, пять управляемых генераторов, три инвертора, четыре переключателя, генератор управляющей функции, схема сравнения, три коррелятора совпадения полярностей, два фазовращателя на 90^о, нуль-орган и дополнительный сумматор, при этом выходы первого и второго управляемых генераторов подключен к управляющим входам первого и второго регистров сдвига соответственно в каждом канале, выход первого переключателя подключен к входу первого управляемого генератора и через первый инвертор к входу второго управляемого генератора, первый вход первого переключателя через соединенные последовательно схему совпадения и генератор управляющей функции подключен к выходу третьего управляемого генератора, второй вход первого переключателя подключен к выходу генератора управляющей функции, а третий вход вход опорного напряжения, соединен с вторым входом схемы сравнения, выход которой соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого заземлен, а третий вход через последовательно соединенные дополнительный сумматор и второй коррелятор совпадения полярностей подключен к выходу второго регистра сдвига первого канала, выход второго переключателя через четвертый управляемый генератор подключен к первому входу третьего переключателя, а через второй инвертор и пятый управляемый генератор подключен к второму входу третьего переключателя, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам третьего и четвертого регистров сдвига соответственно в каждом канале, а третий вход через последовательно соединенные нуль-орган, первый коррелятор совпадения полярностей и первый фазовращатель на 90^о подключен к выходу второго регистра сдвига второго канала, выход нуль-органа через четвертый переключатель подключен к второму входу дополнительного сумматора, второй вход первого коррелятора совпадения полярностей подключен к выходу второго регистра сдвига первого канала, а второй вход второго коррелятора совпадения полярностей соединен с входом первого фазовращателя на 90^о, второй вход четвертого переключателя через последовательно соединенные третий инвертор и третий коррелятор совпадения полярностей подключен к выходу четвертого регистра сдвига первого канала, второй вход третьего коррелятора совпадения полярностей через второй фазовращатель на 90^о подключен к выходу четвертого регистра сдвига второго канала, третий вход четвертого переключателя соединен с входом третьего инвертора, первый вход третьего управляемого генератора является входом запуска, а второй вход входом управления. Нa чертеже приведена функциональная схема предлагаемой многолучевой адаптивной антенной решетки гидролокатора. Многолучевая адаптивная антенная решетка гидролокатора содержит N идентичных приемных каналов 1₁-1_n, каждый i-ый канал состоит из последовательно включенных приемного элемента 2_i, усилителя-ограничителя 3_i, первого, второго, третьего и четвертого регистров сдвига 4_i, 5_i, 6_i,7_i, соответственно, регистра сдвига 8_i с К-отводами; К-перемножителей 9_i1 9_ik; детектор 10_i огибающей К-сумматоров 11₁-11_к; К полосовых фильтров 12₁-12_К; первый, второй, третий, четвертый и пятый управляемые генераторы 13, 14, 15, 16, 17 соответственно; первый, второй, третий и четвертый переключатели 18, 19, 20, 21 соответственно; первый, второй и третий инверторы 22, 23, 24 соответственно; генератор управляющей функции 25; схема сравнения 26; первый, второй и третий корреляторы 27, 28, 29 совпадения полярностей; первый и второй фазовращатели 30, 31 на 90^о. нуль-орган 32; дополнительный сумматор 33; первая, вторая и третья клеммы 34, 35, 36 соответственно. Работает многолучевая адаптивная антенная решетка гидролокатора следующим образом. Принимаемые эхосигналы с выходов приемных элементов 2₁-2_n поступают на усилители-ограничители 3₁-3_N, где происходит их бинарное квантование по уровню, бинарно-квантованные сигналы поступают через последовательно включенные регистры сдвига 4₁-4_N, 5₁-5_N, 6₁-6_N и 7₁-7_N в каждом канале на входы регистров сдвига 8₁-8_n с К-отводами. Регистры сдвига 8₁-8_nиспользуются в качестве линий задержки с отводами для формирования веера диаграмм направленности (ДН). Причем для обеспечения подавления донных отражений в каждом приемном луче угловой разнос между смежными лучами должен быть равен половине ширины ДН каждого луча по нулям. Тогда нули соседних лучей веера ДН будут совпадать. Соответствующая таким требованиям к формируемому вееру задержка сигнала между смежными отводами регистров 8₁-8_n должна быть равна Δt^o=T_o/N, где T_o период, соответствующий центральной частоте спектра сигнала. Сигнал с каждого отвода поступает на первый вход перемножителя 9 _ij, где i номер канала, j номер отвода. На вторые входы перемножителей 9_i1-9_ik i-го канала поступает напряжение с выхода детектора огибающей 10_i. В результате на выходе каждого перемножителя наблюдается амплитудно-модулированный по закону изменения огибающей входного сигнала импульсный процесс. Формирование веера К-лучей осуществляется посредством суммирования выходных сигналов соответствующих перемножителей с помощью К сумматоров 11₁-11_к. Для восстановления аналогового сигнала используется К полосовых фильтров 12₁-12_к, выделяющих спектр полезного сигнала в окрестности его центральной частоты ω_o Таким образом, без учета эффектов, связанных с задержкой огибающей, что справедливо для узкополосных сигналов, такое формирование веера лучей с высокой точностью соответствует известному методу формирования ДН с помощью аналоговых линий задержки. Положение веера лучей в угломестной плоскости определяется величиной линейно-изменяющейся между каналами задержки, вводимой в i-том канале относительно первого канала с помощью регистров сдвига 4i, 5i, 6i и 7i, и определяемой как τ_qi(t) 2qμU₁(t) τ_mi(t) 2mμU₂(t), (1) где q и m суммарные числа разрядов регистров в каждом канале; 4i, 5i и 6i, 7i соответственно. Выбор которых определяется интервалом дискретизации фазы входных процессов и диапазоном изменения задержек; μ крутизна характеристики управления управляемых генераторов 13, 14, 15 и 16; U₁(t) управляющее напряжение генераторов 13 и 14; U₂(t) управляющее напряжение генераторов 15 и 16. Для подавления отражений от дна в каждом приемном луче веер лучей в угломестной плоскости формируется так, что в момент прихода отражений с направления на текущий одновременно отражающий участок дна в этом направлении формируется нижний нуль соответствующего луча ДН. Положение веера определяется выбором суммарной задержки между каналами, обеспечиваемой регистрами 4i, 5i, 6i и 7i, такой, чтобы она компенсировала временной сдвиг между отражениями от дна в каналах. Управление задержкой регистров сдвига осуществляется посредством изменения периодов управляющих напряжений, поступающих с выходов управляемых генераторов 13, 14 на входы управления регистров 4i, 5i и периодов управляющих напряжений, поступающих с выходов управляемых генераторов 15, 16 через переключатель 20 на входы управления регистров 6i, 7i. Формирование управляющего напряжения U₁(t) для генераторов 13 и 14 осуществляется следующим образом. В момент излучения зондирующего сигнала запускается третий управляемый генератор 15 от импульса, поступающего через клемму 35 на его вход запуска. Генератор 15 начинает вырабатывать импульсы, период следования которых пропорционален глубине моря Н; пропорциональное этой глубине напряжение подается через клемму 36 на второй вход управления этого генератора. Импульсы с выхода генератора 15 поступают на вход генератора 25 управляющей функции, который вырабатывает дискретные значения напряжения U₁(t), определяемые выражением U₁(jT_г) где Т_г период следования импульсов, вырабатываемых генератором 15; η нормирующий коэффициент; Θ_n угол наклона нормали к плоскости антенной решетки относительно горизонтали; d_o расстояние между соседними элементами решетки; С скорость звука. Эта формула соответствует плоскому горизонтальному дну (С_j=0,1,2,). Напряжение U₁(jT_r) поступает на первые входы схемы сравнения 26 и первого переключателя 18, на вторые входы которых поступает с клеммы 34 опорное напряжение U_on. При U₁(jT_r) <U<SUB>onon с клеммы 34, а к выходу второго переключателя 19 корпус. Первый и второй управляемые генераторы 13 и 14 вырабатывают импульсы, периоды Т₄, Т₅ которых пропорциональны U_on в соответствии с следующим выражением: T₄= T_н+ μ U₁(t); T₅=T_н- μ U₁(t), где Т_н начальная величина периода выходных импульсов генераторов, соответствующая нулевым управляющим напряжениям. Эти импульсы поступают на управляющие входы регистров 4i, 5i и определяют величину задержки τ_qi входных процессов каналов относительно процесса в первом канале, определяемой формулой (1). Величина U_on и соответствующая задержка τ_qi (U_on) определяют положение веера в пространстве в стационарном режиме, когда отражения от дна еще не поступают на вход антенной решетки. При выборе величины U_on, равной U=K sin(-ΔΘ_об/2), (2) где Δ Θ_об сектор обнаружения объектов в угломестной плоскости, i-й нижний нуль ДН i-го луча будет ориентирован в направлении Θ_g(t₁)= Θ_n + Δ Θ_об /2 начала прихода отражений от дна. Периоды следования Т₆ и Т₇ импульсов на выходах генераторов 16 и 17 равны между собой, поскольку управляющее напряжение U₂(t), поступающее с выхода переключателя 19, равно нулю. В момент времени t_n=j_nT_r, когда величина напряжения U₁(j_nT_r) превышает опорное напряжение U_on, к выходу переключателя 18 подключается управляющее напряжение U₁(jT_r) (j>j_n), поступающее на его первый вход, а к выходу переключателя 19 управляющее напряжение U₂(t), поступающее с выхода дополнительного сумматора 33. С этого момента времени начинается адаптивный режим. Причем, если величина опорного напряжения выбрана равной U^I _on, определяемая формулой (2), то начало адаптивного режима соответствует началу прихода отражений от дна в точку приема. Регистры сдвига 4i и 5i осуществляют предварительную компенсацию временного сдвига Δ t_2i(t) между отражениями от дна, определяемого по формуле Δt_2i(t) sin-arcsin , t ≥ , в предположении, что дно плоское горизонтальное. Компенсация остаточного временного сдвига между отражениями от дна в каналах, а также точная фазировка помех на входах регистров 8₁-8_n осуществляется с помощью регистров 6i, 7i посредством управления величиной периодов Т₆ и Т₇генераторов 16, 17 Т₆=Т_н+ μ U₂(t); T₇=T_н- μ U₂(t). Формирование управляющего напряжения U₂(t) осуществляется следующим образом. С помощью коррелятора 28 совпадения полярностей измеряется среднее значение разности фаз ν_n2 (t) помех на выходах регистров 5₁ и 5₂ первого и второго каналов. Напряжение U_пр(t) прямого управления, пропорциональное разности фаз, поступает через дополнительный сумматор 33 и переключатель 19 на входы управления генераторов 16 и 17. Дискриминационная характеристика коррелятора 28, определяемая таким выражением
U_пр(t)=K₁arcsin[R_ocos ν_n2 (t)] где R_o модуль коэффициента взаимной корреляции процессов в смежных каналах; К₁ нормирующий коэффициент, однозначна только в интервале углов [0, π] а разность фаз может изменяться в более широких пределах. Для устранения неоднозначности отсчета разности фаз в цепи прямого управления определяется интервал, в котором находится разность фаз, и производится соответствующее этому интервалу переключение выходов генераторов 16, 17 с помощью переключателя 20. При разности фаз ν_nлежащей в пределах, определяемых такой формулой 2kπ ≅ ν_n2 ≅ (2k+1)π k=0, ±1,±2, помеха на выходе регистра 5₂опережает по фазе помеху на выходе регистра 51. В этом случае на выходе коррелятора 27, дискриминационная характеристика которого аналогична характеристике коррелятора 28, будет положительное напряжение из-за включенного на его втором входе фазовращателя 30 на 90^о. При разности фаз, соответствующей интервалу (2k-1) π ≅ ν_n2 ≅2 k π это напряжение отрицательно. Нуль-орган 32 вырабатывает напряжение постоянной амплитуды и полярности, соответствующей полярности напряжения на выходе коррелятора 27. Переключатель 20 подключает генераторы 16 и 17 соответственно к управляющим входам регистров 4_i и 5_i при положительной полярности этого напряжения и наоборот к управляющим входам регистров 5_i и 4_i при отрицательной полярности. При этом переключение производится в моменты времени, соответствующие сдвигу фаз между помехами на выходах регистров 5₁ и 5₂, равному kπ k=0; ±1; ±2; Такое переключение приводит к сдвигу по фазе между процессами на выходах регистров 7₁ и 7₂ на целое число периодов, равное k, т.е. будет отсутствовать скачок разности фаз. За счет прямого управления осуществляется предварительная компенсация разности фаз помех до величины, соответствующей интервалу - . Для уменьшения остаточной разности фаз используется отрицательная обратная связь по фазе. Коррелятор 29 производит оценку остаточной разности фаз. Напряжение обратной связи U_обр(t), пропорциональное остаточной разности фаз, поступает с выхода коррелятора 29 на первый вход переключателя 21 непосредственно, а на второй вход через инвертор 24. С выхода переключателя оно поступает через сумматор 33 и переключатель 19 на входы управляемых генераторов 16 и 17. Использование инвертора 24 и переключателя 21 необходимо для сохранения знака обратной связи при переключении выходов генераторов 16 и 17 с помощью переключателя 20. При положительном напряжении на выходе нуль-органа 32 на выход переключателя 21 подключается выходное напряжение коррелятора 29, при отрицательном выходное напряжение инвертора 24. При этом происходит двойная смена знака в цепи обратной связи и последняя остается отрицательной. Следовательно, адаптивная антенная решетка позволяет сформировать веер лучей, который сканирует над дном, причем в процессе сканирования l-й нуль ДН l-го луча постоянно ориентирован в направлении прихода донных отражений, которые оказываются подавленными во всех лучах. Изменяющаяся во времени диаграмма направленности l-го луча такой решетки описывается выражением
F_l(Θ,t) . Коэффициент подавления κ_l отражений от дна моря, равный отношению мощности отражений, приходящих с направления максимального приема в l-ом луче стационарной антенной решетки, к остаточной мощности подавленных в этом луче отражений в адаптивной режиме, оценивается по такой формуле:
κ_l , (3) где R_o(k) модуль коэффициента взаимной корреляции между процессами в приемных элементах, разнесенных на расстояние d_k=d_o(l-1). Анализ формулы (3) показывает, что подавление отражений от дна моря, а значит, и увеличение отношения сигнал-помеха на выходе устройства, возрастает с увеличением коэффициента R_o(k). При N=12 и увеличении R_o(N-1) от 0,2 до 0,9 коэффициент подавления изменяется в пределах от 14 дБ до 23 дБ. Таким образом, повышается помехоустойчивость устройства.

Формула изобретения

МНОГОЛУЧЕВАЯ АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ГИДРОЛОКАТОРА, содержащая N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных приемного элемента, усилителя-ограничителя и регистра сдвига с K отводами, а также детектора огибающей и K перемножителей, причем вход детектора огибающей подключен к выходу приемного элемента, а выход - к первым входам перемножителей, вторые входы которых подключены к соответствующему выводу регистра сдвига с K отводами, и K соединенных последовательно сумматоров на N входов и полосовых фильтров, причем входы сумматоров подключены к выходам соответствующих перемножителей каждого канала, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости путем подавления донных отражений в каждом приемном луче, в каждый канал многолучевой адаптивной антенной решетки введены последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый регистры сдвига, причем вход первого регистра сдвига подключен к выходу усилителя-ограничителя, а выход четвертого регистра сдвига подключен к входу регистра сдвига с K отводами, пять управляемых генераторов, три инвертора, четыре переключателя, генератор управляющий функции, схема сравнения, три коррелятора совпадения полярностей, два фазовращателя на 90^o, нуль-орган и дополнительный сумматор, при этом выходы первого и второго управляемых генераторов подключены к управляющим входам первого и второго регистров сдвига соответственно в каждом канале, выход первого переключателя подключен к входу первого управляемого генератора и через первый инвертор - к входу второго управляемого генератора, первый вход первого переключателя через соединенные последовательно схему совпадения и генератор управляющей функции подключен к выходу третьего управляемого генератора, второй вход первого переключателя подключен к выходу генератора управляющей функции, а третий вход-вход опорного напряжения, соединен с вторым входом схемы сравнения, выход которой соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого заземлен, а третий вход через последовательно соединенные дополнительный сумматор и второй коррелятор совпадения полярностей подключен к выходу второго регистра сдвига первого канала, выход второго переключателя через четвертый управляемый генератор подключен к первому входу третьего переключателя, а через второй инвертор и пятый управляемый генератор подключен к второму входу третьего переключателя, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам третьего и четвертого регистров сдвига соответственно в каждом канале, а третий вход - через последовательно соединенные нуль-орган, первый коррелятор совпадения полярностей и первый фазовращатель на 90^o подключен к выходу второго регистра сдвига второго канала, выход нуль-органа через четвертый переключатель подключен к второму входу дополнительного сумматора, второй вход первого коррелятора совпадения полярностей подключен к выходу второго регистра сдвига первого канала, а второй вход второго коррелятора совпадения полярностей соединен с входом первого фазовращателя на 90^o, второй вход четвертого переключателя через последовательно соединенные третий инвертор и третий коррелятор совпадения полярностей подключен к выходу четвертого регистра сдвига первого канала, второй вход третьего коррелятора совпадения полярностей через второй фазовращатель на 90^o подключен к выходу четвертого регистра сдвига второго канала, третий вход четвертого переключателя соединен с входом третьего инвертора, первый вход третьего управляемого генератора является входом запуска, а второй вход - входом управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1