Устройство для измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта

 

Изобретение относится к области радиолокации и радионавигации и может использоваться для измерения характеристик рассеивания электромагнитных волн объектом, обнаружения, оценки координат и распознавания объектов. Устройство измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта содержит двухканальную по поляризации антенну, два переключателя прием-передача (ППП), коммутатор каналов (КК), передатчик, формирователь ортогональных сигналов (ФОС), задающий генератор (ЗГ), синхронизатор, гетеродин, два смесителя, четыре согласованных фильтра (СФ), четыре блока квадратурных фазовых детекторов (БКФД) и аналого-цифровой преобразователь, причем первый выход синхронизатора подключен к первым входам ФОС, передатчика и КК, к второму входу передатчика подключен первый выход гетеродина, к третьему входу передатчика - выход ФОС, к второму входу которого подключен выход задающего генератора, выход передатчика подключен к входу КК, выходы которого через соответствующие ППП подключены к первому и второму входам двухканальной по поляризации антенны соответственно, вторые выходы ППП подключены к первым входам первого и второго смесителей, к вторым входам смесителей подключен второй выход гетеродина, выход первого смесителя через первый и третий СФ подключен к вторым входам первого и второго БКФД соответственно, выход второго смесителя через второй и четвертый СФ - к вторым входам третьего и четвертого БКФД соответственно, к первым входам всех БКФД подключен выход ЗГ, выходы всех БКФД и второй выход синхронизатора подключены к соответствующим входам АЦП, выходы которого являются выходами устройства. Технический результат заключается в повышении точности измерения ПМР объекта благодаря сокращению времени измерения и, как следствие, уменьшению методической погрешности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в оптической локации, а также в оптической и радионавигации.

Известно устройство измерения ПМР объекта, включающее двухканальную по поляризации антенну, два переключателя прием-передача (ППП), два передатчика, работающих на достаточно близких частотах, два генератора высокочастотных колебаний (ГВЧК), четыре частотных фильтра (ЧФ), четыре смесителя, четыре усилителя напряжения промежуточной частоты (согласованных фильтра - СФ) и четыре амплитудных детектора (АД), два блока измерения разности фаз (БИФ), три сумматора и синхронизатор. Выход синхронизатора подключен ко входам передатчиков, выходы которых через ППП подключены к соответствующим входам двухканальной по поляризации антенны, второй выход одного ППП подключен ко входам первого и третьего ЧФ, а другого ППП - ко входам второго и четвертого ЧФ, выход первого ЧФ через последовательно соединенные первый смеситель и первый СФ подключен к первому АД, выход второго ЧФ через второй смеситель и второй СФ подключен ко второму АД, выход третьего ЧФ через третий смеситель и третий СФ подключен к третьему АД, выход четвертого ЧФ через четвертый смеситель и четвертый СФ подключен к четвертому АД, выход первого ГВЧК подключен ко входам первого и второго смесителей, а выход второго ГВЧК подключен ко входам третьего и четвертого смесителей, выходы первого и второго СФ подключены к соответствующим входам первого БИФ, а выходы третьего и четвертого СФ подключены ко входам второго БИФ, выходы первого и второго АД подключены через первый сумматор, а выходы третьего и четвертого АД - через второй сумматор подключены ко входам третьего сумматора, выходы первого и второго БИФ, АД четырех приемных каналов и третьего сумматора являются выходами устройства [2, 3]. Известное устройство реализует способ одновременного измерения на разных частотах ПМР с относительной фазой.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения ПМР объектов, т.к. амплитуды и фазы ортогонально поляризованных компонентов отраженных от объектов радиосигналов, соответствующие элементам одного столбца ПМР измеряют на одной частоте, а другого - на другой частоте.

Покажем это на конкретном примере. Известно, что нормированная диаграмма обратного вторичного излучения объекта, состоящего из двух "блестящих точек", определяется формулой где L - расстояние между точками, Θ- угол между направлением на источник излучения и нормалью к линии, соединяющей "блестящие точки".

Рассчеты по этой формуле показывают, что при расстоянии между "блестящими точками", равном 15 м, ошибка в измерении амплитуды отраженного радиосигнала за счет разности между частотами облучения f₁=3 ГГц и f₂=3,003 ГГц может достигать (в зависимости от угла Θ) 100% от измеряемой величины. Аналогично можно показать, что ошибки измерения фаз элементов ПМР на разных частотах также определяются методом измерения при прочих равных условиях.

Кроме указанного, недостатками известного устройства являются: - измерение ПМР объекта только с относительной фазой, а в ряде практически важных случаев необходимо измерять ПМР с абсолютной фазой; - для измерения ПМР необходимо два передатчика, что, естественно, сказывается на сложности конструкции, снижает надежность устройства и увеличивает его стоимость.

В качестве прототипа выбрано устройство измерения ПМР объекта, включающее двухканальную по поляризации антенну, два переключателя прием - передача (ППП), коммутатор каналов (КК), передатчик, гетеродин, два когерентных гетеродина (КГ), два смесителя, два усилителя напряжений промежуточной частоты (согласованных фильтра - СФ), два синхронных детектора (СД), четыре БИФ, три линии постоянной задержки (ЛПЗ), одну линию переменной задержки, один блок задержки сигнала на время Δτ с сохранением фазы, четыре АД, три сумматора, две схемы деления, синхронизатор. Причем первый выход синхронизатора через параллельно соединенные ключ и первую ЛПЗ подключен к первым входам передатчика и КК, выход передатчика подключен ко второму входу КК, первый и второй выходы которого через ППП подключены к соответствующим входам двухканальной по поляризации антенны, а также ко входам соответствующих КГ, выходы которых подключены к соответствующим входам первого БИФ, вторые выходы ППП подключены к первым входам первого и второго смесителей соответственно, а вторые входы смесителей подключены к соответствующим выходам гетеродина, выходы первого и второго смесителей через соответствующие усилители напряжений промежуточной частоты (СФ) подключены к первым входам первого и второго СД, второй выход синхронизатора подключен ко входу линии переменной задержки, выход которой подключен ко второму входу первого СД непосредственно, а ко второму входу второго СД подключен через третью ЛПЗ, вход и выход которой соединены через ключ, выход первого СД подключен ко входам первого АД и блока задержки на Δτ с сохранением фазы, а также к первому входу второго БИФ, выход второго СД подключен ко вторым входам второго и четвертого БИФ и ко входам второго и четвертого АД, выход блока задержки сигнала на Δτ с сохранением фазы подключен ко входу третьего АД и к первому входу четвертого БИФ, первые выходы первого и второго АД подключены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого через третью ЛПЗ подключен к первому входу третьего сумматора, вторые выходы первого и второго АД подключены к соответствующим входам первой схемы деления, первые выходы третьего и четвертого АД подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора, вторые выходы третьего и четвертого АД подключены к первому и второму входам второй схемы деления соответственно, выход первого БИФ и первый выход четвертого БИФ подключены к соответствующим входам третьего БИФ, выходы второго, третьего и четвертого БИФ, первого АД, первой и второй схем деления и третьего сумматора являются выходами устройства [2, 3]. Это устройство реализует последовательный во времени способ измерения ПМР объекта.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения ПМР объектов с не постоянной в пространстве и во времени отражающей способностью. Непостоянство отражающей способности в пространстве характерно для любых форм реальных объектов, кроме сферической. Поэтому отражающая способность объекта может изменяться во времени за счет изменения ориентации объекта относительно радиолокатора, а также за счет изменения формы и размеров объекта или за счет применения специальных мер. При последовательном во времени измерении ПМР таких объектов амплитуды и фазы, ортогональных по поляризации составляющих отраженных радиосигналов, соответствующие элементам одного столбца этой матрицы, будут измерены в один момент времени, а амплитуды и фазы ортогональных по поляризации составляющих отраженных радиосигналов, соответствующие элементам другого - в другой. Поскольку отражающая способность объекта изменяется за время между измерениями, то величины ошибок измерений в первом приближении будут пропорциональны интервалу времени, необходимому для осуществления измерений всех элементов ПМР, т.е. величине периода зондирования и скорости изменения отражающей способности объекта.

Для измерения ПМР объекта, последний необходимо облучить радиосигналами ортогональных поляризаций, чтобы получить четыре ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов, определяющие ПМР. Одновременно излучать два одинаковых по структуре радиосигнала на ортогональных поляризациях не имеет смысла, т.к. одинаковые по поляризации и по структуре ортогонально поляризованные составляющие отраженных радиосигналов, соответствующие каждому из излученных, в приемном канале соответствующей поляризации просуммируются и потом разделить их будет невозможно из-за отсутствия существенных различий. Поэтому в устройстве-прототипе одинаковые по структуре радиосигналы излучают через период. При этом уменьшить время измерения ПМР принципиально возможно за счет уменьшения периода зондирования. Однако период зондирования определяется требуемой дальностью обнаружения РЛС и потому возможности его уменьшения существенно ограничены. Время измерения ПМР объекта, равное периоду зондирования, является большим и это большое время представляет собой самостоятельный недостаток известного способа.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности измерения ПМР объекта благодаря сокращению времени измерений и, как следствие, уменьшению методической погрешности измерений.

Для решения поставленной задачи в устройство измерения ПМР объекта, включающее двухканальную по поляризации антенну, два переключателя прием-передача ППП, коммутатор каналов (КК), передатчик, гетеродин, два смесителя, первый и второй усилители напряжений промежуточной частоты (согласованных фильтра - СФ), два синхронных детектора (СД), синхронизатор, причем первый выход синхронизатора подключен к первым входам передатчика и коммутатора каналов, выход передатчика подключен ко второму входу коммутатора каналов, первый и второй выходы которого через соответствующие переключатели прием-передача подключены к первому и второму входам двухканальной по поляризации антенны, вторые выходы переключателей прием-передача подключены к первым входам первого и второго смесителей соответственно, ко второму входу второго смесителя подключен второй выход гетеродина, выходы первого и второго смесителей подключены ко входам первого и второго согласованных фильтров соответственно, дополнительно введены формирователь ортогональных сигналов, задающий генератор, третий и четвертый согласованные фильтры, четыре блока квадратурных фазовых детекторов и аналого-цифровой преобразователь. Причем первый выход синхронизатора подключен к первому входу формирователя ортогональных сигналов, выход задающего генератора подключен ко второму входу формирователя ортогональных сигналов и к первым входам блоков квадратурных фазовых детекторов; первый выход гетеродина подключен ко второму, а выход формирователя ортогональных сигналов к третьему входу передатчика, второй выход гетеродина подключен ко второму входу первого смесителя, выходы первого смесителя подключены к первому и третьему согласованным фильтрам, а выходы второго смесителя подключены ко второму и четвертому согласованным фильтрам; выходы первого, второго, третьего и четвертого согласованных фильтров подключены ко вторым входам соответствующих блоков квадратурных фазовых детекторов, выходы которых и второй выход синхронизатора подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, выходы которого являются выходами устройства.

Включение в состав устройства новых элементов и соответствующих связей обеспечивает в каждом периоде зондирования излучение на одной несущей частоте двух, сдвинутых во времени, ортогональных по структуре радиосигналов на соответствующих ортогональных поляризациях и прием четырех ортогонально поляризованных составляющих отраженных от объекта сигналов, определяющих его ПМР. При этом время измерения ПМР объекта с величины, равной периоду зондирования (в устройстве-прототипе), уменьшается до величины примерно равной трем длительностям излучаемого радиосигнала.

Структурная схема устройства приведена на чертеже.

Предлагаемое устройство содержит: двухканальную по поляризации антенну 1, два переключателя прием-передача (ППП) 2 и 3, коммутатор каналов (КК) 4, передатчик 5, формирователь ортогональных сигналов (ФОС) 6, задающий генератор 7, гетеродин 8, синхронизатор 9, первый смеситель 10, второй смеситель 11, первый, второй, третий и четвертый согласованные фильтры (СФ) 12, 13, 14, 15 соответственно, блоки квадратурных фазовых детекторов (БКФД) 16, 17, 18, 19, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20.

Каждый БКФД состоит из двух фазовых детекторов, на сигнальные входы которых подается один и тот же радиосигнал, а опорное напряжение подается на вход одного непосредственно, а на вход другого - со сдвигом по фазе на 90 градусов относительно первого. Такой блок выдает два напряжения, пропорциональные произведениям амплитуд на косинус и на синус разности фаз входных напряжений. Остальные элементы, входящие в устройство, являются известными.

Первый выход синхронизатора 9 подключен к первым входам ФОС 6, передатчика 5 и КК 4. Выход задающего генератора 7 подключен ко второму входу ФОС 6. Первый выход гетеродина 8 подключен ко второму, а выход ФОС 6 подключен к третьему входам передатчика 5. Выход передатчика 5 подключен ко второму входу КК 4, первый и второй выходы которого через соответствующие ППП 2 и 3 подключены к первому и второму входам двухканальной по поляризации антенны 1. Вторые выходы ППП 2 и 3 подключены к первым входам смесителей 10 и 11 соответственно. Второй выход гетеродина 8 подключен ко вторым входам смесителей 10 и 11. Выход первого смесителя 10 через первый СФ 12 подключен ко второму входу БКФД 16, а через третий СФ 13 - ко второму входу БКФД 17. Выход второго смесителя 11 через второй СФ 14 подключен ко второму входу БКФД 18, а через четвертый СФ 15 - ко второму входу БКФД 19. Выход задающего генератора 7 подключен к первым входам БКФД 16, 17, 18, 19. Второй выход синхронизатора 9, а также выходы БКФД 16, 17, 18, 19 подключены к соответствующим входам АЦП 20, выходы которого являются выходами устройства.

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 7 непрерывно вырабатывает напряжение промежуточной частоты, которое подается на второй вход ФОС 6. В каждом периоде зондирования ФОС 6 по паре сдвинутых во времени синхронизирующих импульсов, поступающих на его первый вход с первого выхода синхронизатора 9, вырабатывает два сдвинутых во времени и ортогональных по структуре радиосигнала S₁ и S₂ и таких, что их взаимная временная корреляционная функция равна нулю (практически достаточно мала). В частности, в качестве таких ортогональных радиосигналов могут быть использованы две М-последовательности, сдвинутые друг относительно друга на половину периода. При соответствующем подборе сдвига фаз заполнения в соседних парциальных импульсах М-последовательности можно добиться практически нулевой взаимной корреляции. Сформированные на промежуточной частоте ортогональные радиосигналы S₁ и S₂ поступают на второй вход передатчика 5, на третий вход которого подаются высокочастотные колебания с первого выхода гетеродина 8. В передатчике осуществляется перенос поступающих колебаний на несущую частоту и усиление полученных радиосигналов по мощности. Импульсы синхронизатора 9, поступающие на первый вход передатчика 5, обеспечивают его синхронную работу с ФОС 6 и с КК 4. В каждом периоде зондирования КК 4 по двум импульсам, поступающим на его первый вход с первого выхода синхронизатора 9, поочередно, через соответствующие ППП 2 и 3, подключает выходные радиосигналы передатчика 5 к соответствующим ортогональным по поляризации каналам двухканальной по поляризации антенны 1, которая излучает их в направлении объекта. Использование непрерывных колебаний задающего генератора 7 и гетеродина 8 при формировании излучаемых и обработке принятых сигналов обеспечивает запоминание начальных фаз радиосигналов, излучаемых на различных поляризациях.

Каждым каналом антенны принимается сумма двух ортогональных по структуре составляющих отраженных сигналов: основного по поляризации компонента для данного канала и перекрестного по поляризации компонента - для канала, ортогонального первому. Эти суммы сигналов через ППП 2 и 3 подаются на входы смесителей 10 и 11 соответственно. Выход каждого смесителя подключен к входам двух фильтров, каждый из которых согласован с соответствующим радиосигналом S₁ или S₂, вырабатываемым ФОС 6. Это позволяет на выходах СФ 12, 14, 13, 15 получить четыре радиосигнала, т.е. выделить отдельно каждую ортогонально поляризованную составляющую отраженного от объекта радиосигнала. Выходные напряжения каждого из согласованных фильтров подаются на вторые входы соответствующих БКФД 16, 18, 17, 19. При этом в качестве опорного напряжения на первые входы БКФД 16, 17, 18, 19 подается напряжение промежуточной частоты с выхода задающего генератора 7. Использование в качестве напряжения гетеродина в смесителях приемника 10 и 11 выходного напряжения гетеродина 8, а в качестве опорных напряжений для БКФД 16, 17, 18, 19 выходного напряжения задающего генератора 7, позволяет скомпенсировать случайные начальные фазы радиосигналов, излучаемых на разных поляризациях. Каждый БКФД имеет два выхода. По первому выходу выдается напряжение, пропорциональное произведениям амплитуд на косинус, а по второму - на синус разности фаз колебаний, поступающих на входы БКФД. Аналого-цифровой преобразователь 20 по существу производит измерение напряжений сигналов, поступающих с выходов БКФД, осуществляя оцифровку их значений. По сигналам со второго выхода синхронизатора 9 измеренные значения амплитуд квадратурных составляющих, определяющих измеренные значения элементов ПМР объекта, выдаются потребителю. Если выдачу потребителю результатов измерений всех элементов ПМР производить в момент прихода второго синхронизирующего импульса, то задержка по времени измерения параметров отраженных сигналов, обусловленная различным временем излучения радиосигналов на разных поляризациях, будет исключена. Предлагаемое устройство в сравнении с прототипом обладает следующими техническими преимуществами. В десятки и сотни раз может быть уменьшено время измерения ПМР по сравнению со временем измерения в устройстве-прототипе и примерно пропорционально могут быть уменьшены ошибки измерения элементов ПМР, обусловленные реализованным в устройстве методом измерения.

При последовательном излучении в каждом периоде зондирования двух, сдвинутых по времени, ортогональных по поляризации и по структуре радиосигналов время измерения ПМР ограничивается удвоенным значением длительности зондирующего импульса РЛС и временем переключения каналов двухканальной по поляризации антенны РЛС при излучении или временем восстановления чувствительности приемников при приеме (в зависимости от того, что больше). Если полагать время коммутации каналов антенны равным длительности зондирующего импульса, то выигрыш во времени измерения ПМР будет определяться выражением B = T/3τ, где Т - период зондирования, а τ- длительность зондирующего импульса.

Для импульсной РЛС с дальностью обнаружения, например, 300 км выигрыш во времени измерения ПМР может составить сотни раз. Если полагать, что ошибки измерения ПМР зависят от времени измерения линейно, то при использовании предлагаемого устройства ошибки измерения ПМР, в первом приближении, также уменьшатся примерно в сотни раз.

Источники информации 1. Хойнен. Измерение матрицы рассеяния цели. ТИИЭР, т. 53, 8, 1965, с. 1074-1084.

2. Канарейкин Д.Б., Павалов М.В., Потехин В.А.. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966, с. 118-124, 282-293.

3. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. Л.: Судостроение, 1968, с. 78-85.

4. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. М.: Сов. радио, 1971, с. 15; 245-300.

Формула изобретения

Устройство измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, включающее двухканальную по поляризации антенну, два переключателя прием - передача, коммутатор каналов, передатчик, синхронизатор, гетеродин, два смесителя, два согласованных фильтра, причем первый выход синхронизатора подключен к первым входам передатчика и коммутатора каналов, выход передатчика подключен к второму входу коммутатора каналов, первый и второй выходы которого через соответствующие переключатели прием - передача подключены к первому и второму входам двухканальной по поляризации антенны, вторые выходы переключателей прием - передача подключены к первым входам первого и второго смесителей соответственно, к второму входу второго смесителя подключен второй выход гетеродина, выходы первого и второго смесителей подключены к входам первого и второго согласованных фильтров соответственно, отличающееся тем, что дополнительно введены формирователь ортогональных сигналов, задающий генератор, третий и четвертый согласованные фильтры, четыре блока квадратурных фазовых детекторов и аналого-цифровой преобразователь, причем первый выход синхронизатора подключен к первому входу формирователя ортогональных сигналов, выход задающего генератора - к второму входу формирователя ортогональных сигналов и к первым входам блоков квадратурных фазовых детекторов; первой выход гетеродина подключен к второму, а выход формирователя ортогональных сигналов к третьему входам передатчика, второй выход гетеродина подключен к второму входу первого смесителя, выход каждого смесителя подключен к третьему и четвертому согласованным фильтрам соответственно; выходы первого - четвертого согласованных фильтров подключены к вторым входам соответствующих блоков квадратурных фазовых детекторов, выходы которых и второй выход синхронизатора подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, выходы которого являются выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1