Устройство адаптивной обработки многоэлементной решетки

 

Изобретение относится к устройствам формирования диаграммы направленности многоэлементной антенны путем изменения амплитуды принимаемых колебаний и может быть использовано в гидроакустике. В устройстве адаптивной обработки многоэлементной антенны, включающем N антенных элементов, блок формирования фазового распределения, блок формирования характеристик направленности рабочего и компенсационного пространственных каналов и адаптивный компенсатор помех, устройства взвешивания блока формирования характеристик направленности рабочего канала выполнены с коэффициентом передачи A^r_n = 0 при n = 1, N, где A^r_n - - коэффициент передачи n-го устройства взвешивания блока формирования характеристик направленности этого канала, а устройство взвешивания блока формирования характеристик направленности компенсационного канала выполнен с коэффициентами передами где A^k_n - коэффициент передачи n-го устройства взвешивания блока формирования характеристик направленности компенсационного канала. Технический результат заключается в эффективном ослаблении пространственно распределенных помех, действующих одновременно вне главного максимума характеристики направленности антенны. 6 ил.

Изобретение относится к устройствам формирования диаграммы направленности многоэлементной антенны путем изменения амплитуды принимаемых колебаний и может быть применено, например, в гидроакустике.

Известны различные системы обработки сигналов многоэлементной антенны, например, авт. св. СССР NN 1707666, 1305804, которые позволяют вести прием сигналов с различных направлений.

Чаще всего приемные устройства, например, в гидролокации работают в условиях действия помех, в том числе слабо локализованных. При приеме сигналов в присутствии помех применяются адаптивные устройства обработки сигналов многоэлементной антенны. Такие решения защищены авт. св. CCCP NN 1781745, 1684837, 1584005, 1434518, 1354291. Аналоги известны и в научно-технической литературе, например В.Г. Гусев. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Л.: Судостроение, 1988; К.К. Венскаускас, Компенсация помех в судовых радиотехнических системах. Л.: Судостроение, 1989; Р.А. Монзинго, Т.У. Миллер, Адаптивные антенные решетки. М.: Радио, 1986.

Наиболее близким к изобретению является устройство, приведенное в книге В. Г. Гусев. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Л.: Судостроение, 1988, с. 201. рис. 3.17. На рисунке приведена структурная схема устройства адаптивной обработки многоэлементной антенны, предназначенного для подавления локальной помехи. Устройство содержит N антенных элементов, каждый из которых подключен к блоку формирования фазового распределения (на рис. 3.17 этот блок представлен задержками τ_n на выходе элементов антенны, которые обеспечивают компенсацию главного максимума характеристики направленности антенны в направлении прихода ожидаемого сигнала). Выходы блока формирования фазового распределения подключены одновременно к соответствующим входам блоков формирования характеристик направленности рабочего и компенсационного пространственных каналов. Выходы рабочего и компенсационного каналов подключены к адаптивному компенсатору помех.

Потенциальные возможности данного устройства не в полной мере удовлетворяют необходимым требованиям. Число входных каналов адаптивного компенсатора помех равно N (один рабочий и N-1 регулируемых компенсационных), что влечет за собой увеличение сложности и стоимости системы. Указанная адаптивная система позволяет компенсировать плосковолновую локальную помеху, но не решает задачу подавления пространственно распределенных помех, действующих одновременно вне главного максимума характеристики направленности антенны.

Предлагаемое устройство адаптивной обработки многоэлементной антенны включает N антенных элементов, каждый из которых подключен к блоку формирования фазового распределения. N выходов блока формирования фазового распределения подключены одновременно к соответствующим входам блоков формирования характеристик направленности рабочего и компенсационного пространственных каналов. Каждый блок формирования характеристик направленности рабочего и компенсационного каналов содержит устройства взвешивания и сумматор. Входы устройств взвешивания являются входами блока, а выходы подключены к суммирующему устройству блока. Выход блока формирования характеристики направленности рабочего канала подсоединен к рабочему входу адаптивного компенсатора помех. Выход блока формирования характеристики направленности компенсационного канала подсоединен к компенсационному входу адаптивного компенсатора помех.

По изобретению устройства взвешивания блока формирования характеристики направленности рабочего канала имеют коэффициенты передачи вида A^r_n = 0 при n = 1,N, (1) где A^r_n - коэффициент передачи n-го устройства взвешивания блока формирования характеристики направленности рабочего канала.

Устройства взвешивания блока формирования характеристики направленности компенсационного канала имеют коэффициенты передачи вида где A^k_n - коэффициент передачи n-го устройства взвешивания блока формирования характеристики направленности компенсационного канала.

Данное устройство позволяет реализовать эффективность обработки сигналов, близкую к оптимальной, при значительно меньшей сложности (и стоимости) адаптивного компенсатора помех. В предлагаемом устройстве число входных каналов адаптивного компенсатора помех равно двум (один рабочий и один компенсационный).

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет обеспечить эффективное ослабление приема пространственно распределенных помех, действующих одновременно вне главного максимума характеристики направленности антенны, что обеспечивается видом характеристики направленности компенсационного канала, синтезируемой с учетом пространственного спектра помех.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема блоков формирования характеристик направленности; на фиг. 3 - структурная схема адаптивного компенсатора помех; на фиг. 4 - система координат; на фиг. 5 показаны характеристики направленности рабочего канала (кривая 1), компенсационного канала (кривая 2) и характеристика направленности по выходу адаптивного компенсатора помех (кривая 3) в случае компенсации главного максимума характеристики направленности рабочего канала в направлении оси OX; на фиг. 6 приведены характеристики направленности каналов устройства в случае компенсации главного максимума характеристики направленности рабочего канала на угол 30^o в плоскости XOY (обозначения на фиг. 6 соответствуют обозначениям на фиг. 5).

Устройство содержит (фиг. 1) преобразователи антенны 1, выходы которых подключены к блоку формирования фазового распределения 2. Выходы блока формирования фазового распределения 2 соединены одновременно с соответствующими входами блоков формирования характеристик направленности рабочего 3 и компенсационного 4 пространственных каналов антенны. Выход блока формирования характеристики направленности рабочего канала 3 подключен к рабочему входу адаптивного компенсатора помех 5, а выход блока формирования характеристики направленности компенсационного канала 4 соединен с компенсационным входом адаптивного компенсатора помех 5.

Блоки формирования характеристик направленности рабочего и компенсационного каналов содержат (фиг. 2) устройства взвешивания 6, выходы которых соединены с сумматором 7.

Приемная N-элементная антенна формирует на выходе каждого элемента сигналы X_n(m). В блоке поз. 2 задается фазовое распределение по элементам для управления положением главного максимума характеристики направленности антенны в пространстве.

Выходы блока формирования фазового распределения подсоединены к соответствующим входам блока формирования характеристики направленности рабочего канала 3 и одновременно к входам блока формирования характеристики направленности компенсационного канала 4. В этих устройствах формируются выходные напряжения рабочего Y_p и компенсационного Y_k пространственных каналов антенны. Выход блока формирования характеристики направленности рабочего канала подключен к рабочему входу адаптивного компенсатора помех 5, а выход блока формирования характеристики направленности компенсационного канала подключен к компенсационному входу адаптивного компенсатора помех 5. На выходе блока 5 формируется выходное напряжение устройства адаптивной обработки Z_вых.

Каждый из блоков 3 и 4 (фиг 2) содержит на входе устройства взвешивания 6 сигналов, поступающих с выходов блока формирования фазового распределения. Коэффициенты передачи устройств взвешивания фиксированные, определяются по формулам (1), (2) и задают амплитудные распределения по элементам рабочего и компенсационного каналов. После операции взвешивания сигналы в каждом из блоков 3, 4 суммируются суммирующим устройством 7, образуя выходное напряжение соответственно рабочего и компенсационного каналов:

В адаптивном компенсаторе помех (фиг. З) выходное напряжение рабочего канала Y_p подается на блок линий задержек (БЛЗ) с отводами и весовыми коэффициентами B_m, обеспечивающими желаемую комплексную частотную характеристику системы, поэтому

Выходное напряжение компенсационного канала обрабатывается с помощью блока линий задержек с регулируемыми весовыми коэффициентами W_m БРЛЗ, так что на их выходе образуется величина

И наконец, окончательным выходом такой системы является величина Z(m) = U(m) - V(m).

Таким образом, в адаптивном компенсаторе помех формируется выходной сигнал Z всей системы как разность сигнала, поступающего на рабочий вход, и взвешенного сигнала, поступающего на компенсационный вход. Весовой коэффициент W является регулируемым и соответствует содержанию в рабочем канале составляющих, коррелированных с сигналом компенсационного канала.

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение помехоустойчивости антенны к шумам, действующим вне главного максимума характеристики направленности антенны, в широком секторе углов одноканальной системой компенсации. Для одного пространственного рабочего канала многоэлементной антенны формируется предложенным способом один компенсационный канал, позволяющий существенно уменьшить помехи, принимаемые с направлений бокового поля антенны.

Это обеспечивается видом характеристики направленности компенсационного канала, синтезируемой с помощью фиксированных весовых коэффициентов:
A^K= [A^K₁A^K₂A^K₃...A^K_N],
обеспечивающих четность XH компенсационного канала относительно оси основного лепестка XH рабочего канала, близкие к нулю значения XH компенсационного канала в пределах рабочего сектора приема сигналов (основной лепесток XH рабочего канала), близость по форме XH рабочего и компенсационного каналов в области бокового поля, совпадение положения нулей XH компенсационного канала с нулями XH рабочего канала, совпадения положения и фазировки боковых лепестков XH рабочего и компенсационного каналов.

Примеры характеристик направленности пространственных компенсационных каналов, построенных в соответствии с предлагаемым алгоритмом для плоской многоэлементной антенны и случая компенсации помех, действующих по боковому полю антенны в горизонтальной плоскости, представлены на фиг. 5 и 6.

Антенна расположена в плоскости YOZ, главный максимум характеристики направленности рабочего канала скомпенсирован в направлении оси ОХ (фиг. 5) и на угол 30^o в плоскости XOY (фиг. 6). Амплитудное распределение компенсационного канала образовано в результате проектирования всех элементов антенны на ось OY по предложенному алгоритму (формулы 1, 2).

Из рисунка видно, что в области бокового поля XH каналов близки по форме и находятся в фазе. В направлении прихода полезного сигнала XH компенсационного канала (кривые 2) имеет нулевое значение. Таким образом, при вычитании из сигнала рабочего канала взвешенного напряжения компенсационного канала боковое поле XH рабочего канала будет уменьшаться, а главный лепесток XH рабочего канала изменится незначительно. Таким образом, боковой прием мешающих воздействий уменьшится, а характеристики приема полезного сигнала практически не изменятся.

Формула изобретения

Устройство адаптивной обработки многоэлементной антенны, включающее N антенных элементов, каждый из которых подключен к блоку формирования фазового распределения, N выходов блока формирования фазового распределения подключены одновременно к соответствующим входам блоков формирования характеристик направленности рабочего и компенсационного пространственных каналов, а выходы последних блоков подсоединены к соответствующим входам адаптивного компенсатора помех, причем каждый блок формирования характеристик направленности рабочего и компенсационного пространственных каналов содержит устройства взвешивания, входы которых являются входами блока, а выходы подключены к суммирующему устройству блока, отличающееся тем, что устройства взвешивания блока формирования характеристик направленности рабочего канала имеют коэффициенты передачи вида
A^r_n = 0 при n = 1,N,
где A^r_n - коэффициент передачи n-го устройства взвешивания блока формирования характеристик направленности рабочего канала,
а устройства взвешивания блока формирования характеристик направленности компенсационного канала имеют коэффициенты передачи вида

где A^k_n - коэффициент передачи n-го устройства взвешивания блока формирования характеристик направленности компенсационного канала.

РИСУНКИ

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