Устройство обработки сигналов в фазированных антенных решетках

 

Использование: в радио- и гидролокаторах для обработки эхо-сигналов и измерения угловых координат целей в радиолокации. Сущность изобретения: устройство содержит антенные элементы и канальные приемники, выходы которых через электронный ключ и запоминающее устройство подключены к входу коммутатора. Выход коммутатора подключен к входу анализатора спектра. 5 ил.

Изобретение относится к радио- и гидролокации и может быть использовано для обработки эхо-сигналов и измерения угловых координат целей в РЛС, содержащих фазированную антенную решетку (ФАР).

Целью изобретения является упрощение устройства за счет сокращения числа управляемых элементов и уменьшения вследствие этого объема системы управления.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве в приемных каналах вместо фазовращателей введены последовательно соединенные электронные ключи и запоминающие устройства, которые через коммутатор подключены к анализатору спектра. В составе устройства отсутствуют как управляемые фазовращатели, так и соответствующая система управления.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 следующие графики: а огибающая эхо-сигнала на выходе канального приемника в случае немодулированного сигнала; б периодическая последовательность импульсов с периодом Т и длительностью импульса T/N; в отстробированные части эхо-сигнала длительностью T/N; г сигнал на выходе коммутатора; д зависимость фазы от времени внутри результирующего сигнала; на фиг.3 полная структурная схема устройства с выходом канальных приемников на промежуточной частоте; на фиг.4 полная структурная схема устройства с выходом канальных приемников на видеочастоте; на фиг.5 эпюра напряжения на выходе коммутатора.

Принятые антенными элементами 1 сигналы поступают на канальные приемники 2, где происходит их усиление и оптимальная фильтрация. Канальные приемники могут быть выполнены как по высокой частоте, так и с преобразованием на промежуточную частоту (в том числе и на видеочастоту). На фиг.2,а приведена огибающая эхо-сигнала на выходе канального приемника в случае простого немодулированного на частоте и фазе сигнала. Затем сигналы поступают на электронные ключи 3, на управляющие входы которых подают периодическую последовательность импульсов с периодом Т и длительностью импульса T/N, изображенную на фиг.2,б. Отстробированные части эхо-сигнала длительностью T/N (см. фиг.2, в) в каждом i-м канале запоминаются и подают- ся на электронный коммутатор 5 (i 1,2,3. N). Запоминающие устройства 4 и коммутатор 5 предназначены для того, чтобы образовать результирующий сигнал, представляющий собой сумму неперекрывающихся по времени отстробированных сигналов из всех N каналов. В зависимости от несущей частоты сигналов на выходе канальных приемников запоминающие устройства и коммутатор могут состоять из различных элементов. Например, на фиг.3 изображена полная структурная схема устройства с выходом канальных приемников на промежуточной частоте, где 1 антенные элементы, 7, 8 усилители высокой частоты (УВЧ), 8 смесители, 9 местный гетеродин, 10 усилители промежуточной частоты (УПЧ), 11 оптимальные фильтры, 3 электронные ключи, 12 линии задержки, 13 сумматор, 6 анализатор спектра. Канальный приемник 2 ФАР выделен на фиг.3 пунктиром. В этом устройстве функции запоминающих устройств и коммутатора выполняют линии задержки 12 и сумматор 13. Отстробированные сигналы длительностью T/N с выхода электронных ключей 3 в каждом i-м канале задерживаются на время задержки τ_ii˙ T/N, пропорциональное номеру канала, затем все N сигналов суммируют, что и приводит к образованию результирующего сигнала, изображенного на фиг.2,г.

Рассмотрим временные изменения фазы сигнала на выходе сумматора. Если принять фазу в 1-м канале ФАР равной нулю и считать, что выполняется условие ω_o˙T=2πN_n (n 1,2,3.), то временная зависимость фазы ϕ внутри результирующего сигнала будет иметь вид ступенчатой кривой, изображенной на фиг.2,д, где Δϕ 2π · sinΘ. ( λ длина волны; ω_o круговая частота).

При большом числе каналов ФАР возможно приближенно заменить ступенчатую кривую изменения фазы в результирующем сигнале на линейную функцию. При этом, как видно из фиг.2,г сигнал на выходе коммутатора будет иметь расстройку Δω относительно несущей частоты, зависящую от угловой координаты цели: Δω , где Θ_λ= (L N˙ d апертура антенны) ширина антенного луча;Δω_s= ширина спектра сигнала.

Сигнал с выхода сумматора 13 поступает на анализатор спектра 6, который, например, может быть выполнен в виде набора параллельных узкополосных фильтров, имеющих ширину полосы Δω_s и расстроенных по центральной частоте друг относительно друга. Так как на выходе канальных приемников (на выходе оптимальных фильтров) время коррекции шума равно Т, то после стробирования и суммирования вследствие статической независимости шумов в разных приемных каналах время корреляции шума уменьшится в N раз, что эквивалентно расширению в N раз ширины полосы спектра мощности шума на выходе сумматора. На выходе частотного канала анализатора спектра, совпадающего по настройке с несущей частотой сигнала на выходе сумматора вследствие фильтрации шума, отношение сигнал/шум (по мощности) увеличится в N раз, что и характеризует выигрыш, обусловленный величиной апертуры, антенны.

Угловая координата цели может быть грубо измерена по номеру частотного канала анализатора спектра, в котором сигнал максимален, и затем уточнена путем сравнения амплитуд сигналов в соседних каналах.

На фиг.4 изображена полная структурная схема устройства, в котором выход канальных приемников происходит на видеочастоте (после фазовых детекторов), где 1 антенные элементы 2-УВЧ, 8 смесители, 9 местный гетеродин, 10 УПЧ, 11 оптимальный фильтр, 14 фазовый детектор, 15 гетеродин, 3 электронные ключи, 4 запоминающие устройства, 5 коммутатор, 6 анализатор спектра. В этой схеме сигналы на промежуточной частоте с выходов оптимальных фильтров 6 поступают на фазовые детекторы 7, на вторые входы которых подается опорное напряжение с несущей частотой, равной промежуточной частоте.

Если принять сдвиг фаз между опорным гетеродином и сигналом в 1-м канале равным нулю, то амплитуду сигнала на входе фазового детектора i-го канала можно записать как A_i A_ocos(i Δϕ), где A_o амплитуда сигнала на выходе оптимального фильтра Δϕ 2π sinΘ. Затем сигналы поступают на электронные ключи 9, на управляющие входы которых подается периодическая последовательность импульсов (см. фиг.2,б), и на запоминающие устройства 4, в качестве которых в этой схеме могут быть использованы, например, емкости. Коммутатор 5 управляется той же периодической последовательностью импульсов и "опрашивает" за время Т выходы всех N запоминающих устройств.

При этом на выходе коммутатора образуется модулированный импульс длительностью Т (см. фиг.5), состоящий из отстpобированных сигналов всех каналов, который можно записать в виде A_вых= A_ocosNΔϕ A_ocos2sin Отсюда видно, что частота модуляции полностью определяется угловой координатой цели. Затем импульс подают на анализатор спектра и описание дальнейшей работы аналогично изложенному.

Принцип работы предлагаемого устройства рассматривался при предположении о том, что время прихода сигнала точно известно (см. фиг.5). Если это не выполняется, то при обработке сигналов будут возникать потери в отношении сигнал/шум вследствие того, что стробирование будет не всегда происходить в месте максимального отношения сигнал/шум на выходе канальных приемников. Это можно избежать в том случае, если ФАР используется только для измерения угловых координат, а для ее целеуказания по дальности используются сигналы другой РЛС. В этом случае на входы электронных ключей подается импульс целеуказания и стробирование происходит точно в момент пика сигнала. При этом последующую обработку можно производить и в нереальном времени, что позволяет в значительной степени варьировать параметрами запоминающих устройств и соответственно параметрами анализатора спектра.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ, содержащее антенные элементы и канальные приемники, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, выход каждого канального приемника через последовательно соединенные электронный ключ и запоминающее устройство подключен к входу коммутатора, выход которого соединен с входом анализатора спектра.

РИСУНКИ

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